Способы и критерии оценки хрупких разрушений

Наиболее распространенным способом оценки склонности к хрупкому разрушению являются испытания серии образцов с V-образным надрезом на ударный изгиб при различных температурах (KCVт). Критерий оценки — критическая температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению Tкр или порог хладноломкости. Tкр соответствует температуре достижения определенной минимальной ударной вязкости, например равной 200 кДж/м2. Чем выше Tкр, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Tкр служит для сравнительной оценки материалов, отличающихся составом и структурой. Применительно к испытанию сварных соединений V-образиый надрез наносится в исследуемой зоне соединения: по оси сварного шва, зонам сплавления или термического влияния.

Схемы образования угловых перемещений
Рис. 1. Образцы для определения критериев трещиностойкости
тип I — с центральным надрезом для осевого растяжения, типа II — с боковым надрезом для осевого растяжения; тип III — с боковым надрезом для внецентренного растяжения, тип IV — с боковым надрезом для трехточечного изгиба

Сопротивление нестабильному распространению трещины или трещиностойкость металла при статическом нагружении по ГОСТ 25.506—85 оценивают по одному или нескольким критериям:

  1. силовому — критическому коэффициенту интенсивности напряжений К;
  2. деформационному — критическому раскрытию в вершине трещины δc;
  3. энергетическому — критическому значению j-интеграла Jic (работы пластической деформации и разрушения).

Для определения критериев трещиностойкости применяют несколько типов образцов (рис. 1).

Надрез h выполняют с помощью специальных фрез, шлифовального круга, пропиливанием от центрального отверстия или электроискровым способом. Усталостную трещину (l0—h) наносят при переменном растяжении с коэффициентом асимметрии R = 0,l/0,2 и номинальных напряжениях при максимальном усилии цикла не более 0,5σ0,2

Испытания выполняют статическим нагружением, при этом скорость роста коэффициента интенсивности напряжений (КИН) К должна оставаться в пределах 0,5—1,5 МПа М1/2/с В процессе испытаний регистрируют диаграмму Р—v или Р—f, где v — смещение берегов надреза, фиксируемая специальными датчиками, a f — прогиб в точке приложения Р (рис. 2). По диаграмме определяют разрушающее усилие Рс и усилие PQ. Последнее устанавливается построением прямой ОB, наклоненной к оси v (или f) под углом a5, тангенс которого на 5 % меньше тангенса угла а наклона касательной ОА к начальному линейному участку диаграммы. По PQ вычисляют KQ по формулам для расчета КИН:

K_Q = P_Q / t sqrt{b} * Y_i

Образец тип:

I Y_I = 0,2369 delim{[}{1 + 6,827({2l} / b)}{]}

II Y_II = delim{{}{-0,518 delim{[}{1 - 5,456 (l / b)}{]}}{}}

III Y_III = delim{{}{-5,219 delim{[}{1 - 5,739 (l / b)}{]}}{}}

IV Y_IV = L / b delim{{}{-1,555 delim{[}{1 - 5,456 (l / b)}{]}}{}}

где I — уточненная после разрушения образца длина исходной усталостной трещины l0.

Схемы образования угловых перемещений
Рис. 2. Диаграмма усилие (Р) и смещение берегов надреза (V) или прогиб f

По величинам KQ и σ0,2 вычисляют расчетные размеры сечения образцов:

t_pk = 2,5 (K_Q / sigma_{0,2})^2

Величину KQ принимают равной Кic, если Pc≤PQ и tpk/t≤1, что соответствует плоской деформации при развитии трещины. Если последнее неравенство не удовлетворяется, то для определения Kic следует испытать образцы большей толщины t.

Величину δс вычисляют для точек С диаграмм Р — v по формуле

delta_c = {K_c (1 - mu^2)} / {2 sigma_{0,2} E} + {0,4 (b - 1)} / {0,4 b + 0,6 t} v_pc

где Кс — критический условный КИН, полученный расчетом с заменой PQ на Pc; vpc — смещение берегов надреза при разрушении образца, определяемое построением на диаграмме Р — v прямой СЕ параллельно касательной ОА.

Величину J, пропорциональную площади ОАСЕ ка диаграмме Р — v (или Р — f), вычисляют по формуле

J_Ic = {(1 - mu^2) {K^2}_Ic} / E

Применительно к образцам со сварными соединениями приведенный выше метод испытаний используется для оценки трещиностойкости отдельных зон соединения, в которых наносится надрез и наводится усталостная трещина. Однако при испытаниях зоны сплавления и зоны термического влияния затруднительно точное изготовление надреза и возможен увод усталостной трещины из нужной зоны. Наиболее подходящими в этом случае являются образцы с К-образным сварным соединением, в которых надрез изготавливается со стороны вертикальной кромки.

Схемы образования угловых перемещений
Рис. 3. Сварные образцы для испытаний на трещиностойкость а и б — с протяженным внутренним и поверхностным непроваром, в — с поверх ностным непроваром ограниченной длины, г — конструкция образца для получения при сварке непровара ограниченной длины

В образцах со сварными соединениями для испытаний на трещиностойкость надрез и усталостная трещина могут быть заменены трещиноподобным дефектом, искусственно созданным в процессе сварки, например, непроваром с нулевым зазором (рис. 3). Одно из условий такой замены состоит в том, чтобы радиус закругления в вершине дефекта не превышал 1 % от глубины дефекта. При условиях σ≤0,86σ0,2 и t≥2,5s в вершине трещины достигается состояние плоской деформации, необходимое для определения Kic - КИН для сварных образцов может быть рассчитан по формулам для образцов I и II типов: К = Yiσ √h

h/s 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Yi 1,255 1,255 1,288 1,328 1,392 1,490 1,635
Yii 1,99 2,11 2,43 2,95 2,76

для образца III типа: K = l,775σ √а*A+C/B; a/b ≥ 1/3+a/6s;

A=1,12-0,96 a/b; B=1-a/s (1-1,5 a/b); C-0,26 a/b (6 a/b - 2 - a/s)

Применение сварных образцов с непроваром позволяет существенно упростить и ускорить их изготовление, испытывать металл сварного соединения в исходном состоянии после сварки или последующей термообработки (без его видоизменения при наведении усталостной трещины), выполнять испытания непосредственно после сварки, когда металл находится в неравновесном состоянии. Так, например, можно исследовать процесс развития холодных трещин в соединениях легированных сталей — их остановки или сквозного выхода на поверхность. При этом разрушение, как правило, происходит по зонам, обладающим минимальным сопротивлением развитию трещин.

Следует отметить, что если при испытании сварных образцов с непроваром затруднительно построение диаграммы р — v, то для сравнительной количественной оценки в качестве критерия трещиностойкости вместо К можно использовать значение Кс, рассчитанное по максимальным разрушающим напряжениям атах.

Схемы образования угловых перемещений
Рис. 4. Вид зависимости скорости роста трещин. (V) при усталостном нагружении от величины КИН

При возможности фиксирования кинетики медленного роста трещины также могут быть получены пороговые значения КИН: Кт3 — соответствующее зарождению трещины глубиной — 0,1 мм; Kтр — началу медленного роста трещины; Кт0 — остановки трещины (при исследовании роста холодной трещины).

Испытания на трещиностойкость при циклическом нагружении (основные) -выполняются для следующих условий: нагружение по простому периодическому закону с синусоидальной формой цикла, коэффициент асимметрии R = —0,1; частота f = 10—20 Гц, число циклов N≥lO5. При специальных испытаниях имитируются эксплуатационные условия работы конструкций, применительно к которым определяются характеристики трещиностойкости. В процессе испытаний устанавливают скорость роста трещины V(Δl/ΔN, dl/dN), где Δl — средний прирост длины трещины при заданных условиях испытаний и зависимость V от К (рис. 4):

dt / dN = V (K_max / K)^n

где К и n — параметры зависимости.

Измерение Δl производят различными способами: замером меток на изломе образцов, образующихся в результате действия максимальных и минимальных нагрузок цикла; по разности электрических потенциалов в определенных точках образца при росте трещины и др.

К соответствует V, равной 10-7 м/цикл. Величину n определяют по углу наклона средней части зависимости аппроксимируемой прямой в двойных логарифмических координатах.

В результате испытаний определяют следующие характеристики трещиностойкости при циклическом нагружении: Kth — пороговый КИН, при котором начинается страгивание трещины; Kifc — критический КИН, при котором происходит лавинообразное развитие трещины. Величину Kfc принимают равной Кifс при удовлетворении следующих условий:

1. Наибольший размер пластической зоны у вершины трещины не должен превышать 10 % ее длины и расстояние от ее вершины до края образца;

2.~K_max <= 0,8 sigma_{0,2} sqrt{t}~~и~~sigma_max <= 0,8 sigma_{0,2}

Размер зоны пластической деформации определяют визуально на полированной поверхности образца.

Максимальная допустимая нагрузка, при нагружении до которой возможна работа конструкции с медленно растущей трещиной, может быть определена Ко- При КИН свыше Ко начинается ускоренный рост трещины, неминуемо приводящий к разрушению конструкции. По аналогии со статическим нагружением Ко подобен KQ или К






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.