Спосіб прогнозування напружень, що відповідають старту макротріщин різної довжини у широких пластинах, за результатами випробувань малогабаритних зразків

Винахід відноситься до області випробувань матеріалів, а саме до способів прогнозування залишкової міцності широких пластин із тріщинами за результатами випробувань малогабаритних зразків. Він може бути використаний в заводських лабораторіях і науково-дослідних організаціях для одержання даних про залишкову міцність переважно пластичних листових матеріалів із тріщинами при статичному навантаженні. Відомий спосіб прогнозування залишкової міцності широких пластин із тріщинами (sс) за результатами випробувань малогабаритних зразків, що базується на допущенні про ідеальну пластичність матеріалу. У даному випадку розрахункова критична діаграма sс=f(2lс), тут 2lс - довжина тріщини, приймає вид sс=sх(l-2lc/W), де sχ звичайно прирівнюють до границі текучості s0,2 або межі міцності матеріалу sв, W - ширина пластини. Відомі способи прогнозування залишкової міцності широких пластин із тріщинами за результатами випробувань малогабаритних зразків, засновані на застосуванні силового критерію механіки руйнування (К= Кс). Для визначення залишкової міцності пластин із тріщинами використовують формулу: sс = К с p2Іс де Кс - критичний коефіцієнт інтенсивності напруг при плосконапруженому стані. Силовий критерій Кс розповсюджений на весь діапазон довжин тріщин з використанням спеціальної функції, називаємою межею тріщиностійкості І с, 12 æ s2 ö Ic = К ç 1 - с ÷ ç s2 ÷ в ø è де sв - межа міцності матеріалу, sс - руйнуюче брутто-напруження пластини із тріщиною. Відомі способи прогнозування залишкової міцності широких пластин із тріщинами за результатами випробувань малогабаритних зразків засновані на застосуванні критеріїв нелінійної механіки руйнування показують (розкриття тріщини d k, кут розкриття тріщини y k, J - інтеграл). Найбільш близьким за технічною сутністю до рішення, що заявляється, є спосіб прогнозування залишкової міцності широких пластин із тріщинами [ОСТ І 90356-84. Металлы. Метод определения статической трещиностойкости /вязкости разрушения/ обшивочных материалов при плосконапряженном состоянии. - Введ. 01.07.85], відповідно до якого на серію малогабаритних зразків з листового матеріалу наносять вихідні концентратори у вигляді тріщин різної довжини, статично навантажують них до руйнування, реєструють параметри руйнування, визначають залишкову міцність пластини з тріщинами різної довжини sτ за формулою: Рт sт = (1) В(W - 2Ic ) де Рт - максимальне навантаження на діаграмі "навантаження Ρ - зсув n", n - відносний зсув центрів отворів на вертикальній осі симетрії пластини, призначених для установки датчика зсувів, В - товщина зразка, будують діаграму залишкової міцності листового матеріалу, по якій прогнозують напруження, що відповідають стартові макротріщин різної довжини в широких пластинах. Разом з тим у стандарті зроблене застереження "...З огляду на відому залежність в'язкості руйнування Кпр від ширини випробовуваного зразка для залікових випробувань з визначення показників тріщиностійкості, використовуваних при аналізі залишкової міцності пластини з тріщинами різної довжини, рекомендуються зразки шириною 750мм". Ця рекомендація фактично спростовує твердження про придатність виразу (1) для прогнозування залишкової міцності широких пластин із тріщинами за результатами випробувань малогабаритних зразків. Численні експериментальні дані об'єктивно підтверджують дуже низьку точність прогнозування залишкової міцності широких пластин із тріщинами за результатами випробувань малогабаритних зразків з використанням формули (1). Винаходом ставиться завдання підвищення достовірності способу шляхом врахування особливостей росту в'язкої тріщини в пластичних листових матеріалах у двох ортогональних напрямках по товщині і ширині листа. Поставлене винаходом завдання досягається тим, що у способі прогнозування напружень, що відповідають стартові макротріщин різної довжини в широких пластинах, за результатами випробувань малогабаритних зразків, в якому на серію малогабаритних зразків з листового матеріалу наносять вихідні концентратори у вигляді тріщин різної довжини, статично навантажують їх до руйнування, реєструють параметри руйнування, визначають залишкову міцність пластини з тріщинами різної довжини, будують діаграму залишкової міцності листового матеріалу, по якій прогнозують напруги, що відповідають стартові макротріщин різної відносної довжини в широких пластинах, згідно винаходу, випробовують гладкий зразок у вихідному стані, у процесі статичного навантаження підтримують його зрівноважне деформування, фіксують ширину зразка і навантаження в момент утворення макротріщини та зміну навантаження при подовженні зразка на стадії розвитку макротріщини, аж до повного поділу зразка на частини, визначають напруження, що відповідають навантаженню на зразок з макротріщиною, яка розвивається за різними мікромеханізмами руйнування, будують базову діаграму руйнування в координатах: руйнівне напруження sв, відносна довжина тріщини 2а/W у випадку відсутності ділянки роззміцнення на повній діаграмі, або базову діаграму руйнування у координатах: руйнівне напруження sК, відносна довжина тріщини 2a/W у випадку наявності ділянки роззміцнення на повній діаграмі, за якими визначають напруження sст, що відповідають стартові макротріщин різної відносної довжини в широких пластинах, за формулою: sст=F(sв(sК),2a/W), де sв - межа міцності матеріалу; sК - напруження, що відповідає утворенню макротріщини в листі, 2а довжина макротріщини, W - ширина листа в момент утворення макротріщини. Відомо, що жодна з запропонованих у рамках класичної механіки руйнування характеристик опору пластичного листового матеріалу розвиткові макротріщини не розкриває фізичну природу істотного розходження опору матеріалу розвиткові макротріщини на різних стадіях її росту в листовому матеріалі. Це пов'язано, в основному, з тим, що для фізичного обґрунтування достовірних характеристик опору матеріалу розвиткові макротріщини на різних стадіях її росту в листовому матеріалі, традиційних експериментальних методів механіки руйнування виявилося недостатньо, необхідні додаткові експериментальні дані, отримані у достовірно контрольованих умовах температурно-силового навантаження з наступним металографічним аналізом. Фізичні процеси, що протікають у матеріалі при навантаженні, відбиті в повних діаграмах деформування, причому спадаючі ділянки цих діаграм відповідають окремим стадіям руйнування матеріалу. Кожна з цих стадій характеризується автомодельним ростом тріщини по тому або іншому мікромеханізмові руйнування. На повних діаграмах цим стадіям відповідають лінійні ділянки спадаючих гілок, нахили яких адекватно відбивають зміни мікромеханізму росту в'язкої тріщини. Метод повних діаграм має ряд інших переваг. Так одна з основних вимог, виконання яких необхідно для коректного опису руйнування, полягає в тому, що в розглянутих підходах потрібно розрізняти енергію дисипації, викликану загальною пластичною деформацією матеріалу й енергію дисипації, пов'язану з заключним актом процесу - руйнуванням. Метод повних діаграм є, мабуть, єдиним, що дозволяє це зробити практично. Крім того, значно спрощується питання про «короткі» тріщини, тому що методом повних діаграм деформування можна визначати енергетичні витрати на ріст тріщини від моменту її зародження в центрі листа до виходу на основні грані по товщині листа і подальшим поширенням по ширині листового матеріалу. Слід зазначити, що в зв'язку з просуванням макротріщини в листовому матеріалі у двох ортогональних напрямках (по товщині і ширині листа) розвиток зародженої макротріщини в центральних по товщині листа зонах до її граничного розміру, що відповідає ширині випробовуваного листового матеріалу, протікає з різними енергетичними витратами, що прекрасно ілюструє геометрія спадаючих гілок діаграми деформування листового матеріалу (злами на кривих, різні нахили ділянок кривих). Отже, при руйнуванні пластичного листового матеріалу різні механізми руйнування реалізуються не тільки при виході макротріщини на поверхню листа, але і при її розвитку по ширині листа. У загальному випадку для кожного матеріалу можна виділити області відносних довжин тріщин, що розвиваються за тими або іншими мікромеханізмами руйнування. Як правило, таких областей завжди чотири. Перша (А) зв'язана з зародженням внутрішньої в'язкої тріщини в центрі, друга (Б) - з виходом цієї тріщини на основні (широкі) грані, третя (В) з переорієнтацією напрямку руху фронту тріщини від основних граней по товщині до основних граней по ширині листа, а четверта (С) з подальшим просуванням тріщини по ширині листового матеріалу. Четверта стадія навряд чи представляє великий практичний інтерес, тому що мова йде про відносно великі довжини тріщин. Крім того, при великих довжинах тріщин виникають крайові ефекти, що істотно спотворюють фізичну картину руйнування. При точному відтворенні умов навантаження збільшення ширини випробовуваної пластини не повинно позначатися на послідовності стадійності руйнування при дотриманні, природно, енергетичної подоби випробовуваних об'єктів. Отже, заключна стадія повної діаграми деформування може бути прийнята за базову, з якої визначаються напруження, що відповідають тій або іншій відносній довжині макротріщини, що розвивається за відповідним мікромеханізмом руйнування. У залежності від наявності ділянки роззміцнення на повній діаграмі базову діаграму руйнування можна перебудувати в координатах: руйнівне напруження sв(sК) - відносна довжина тріщини 2a/W, і тоді відповідна діаграма (рис.1) фактично буде повною діаграмою міцності листового матеріалу з тріщинами різної довжини, незалежно від його ширини, на відміну від фактично використовуваних на практиці діаграм залишкової міцності пластин із тріщинами, коли не беруть до уваги зростання тріщини і пластичність матеріалу і, унаслідок цього, результати випробувань у залежності від ширини пластин виходять неспівставними. У загальному випадку напруження, що відповідають стартові макротріщин різної відносної довжини у листових матеріалах, визначаються за базовою діаграмою (див. рис.1) sст=F(sв(sК),2a/W) Проаналізуємо для прикладу виконання способу результати випробувань, найбільших із відомих авторам, панелей з алюмінієвого сплаву 2024-ТЗ. Для фіксації зростання тріщини були використані усі наявні засоби: відеозйомка, оптична мікроскопія, тензометрування, комп'ютерна обробка даних у реальному масштабі часу. Вихідні розміри панелей складали: довжина - 3988мм, ширина 2286мм, товщина - 1,016мм. Були випробувані три такі панелі із імітаторами тріщин у вигляді наскрізних гострих пропилів довжиною 2а=203,2мм; 355,6мм і 508мм. Для усунення депланації зразків застосовувалися спеціальні бічні накладки. При побудові R - кривих експериментально зафіксовано, що при початкових довжинах тріщин 2а=203,2мм; 355,6мм і 508мм їхнє підростання до моменту нестабільного розвитку тріщин склало, відповідно, 78,8мм; 138,6мм і 198,2мм, при цьому руйнівні напруження дорівнювали 184МПа, 147МПа і 124МПа. Межа текучості s0,2 листового алюмінієвого сплаву 2024 -ТЗ дорівнює 345 МПа. На рис.2, приведені діаграми залишкової міцності випробуваних пластин з ініціаторами тріщин у відносних по осі абсцис координатах 2a/W (W - ширина пластини), побудовані як з урахуванням зростання тріщин (крива 1), так і без їхнього урахування (крива 2). Як видно з рис.2 при таких обраних вихідних довжинах ініціаторів тріщин фактично була досліджена область В базової діаграми руйнування (див. рис.1), тобто область пов'язана з переорієнтацією розвитку макротріщини від основних граней по товщині листа до основних граней по ширині листа. Привертає також увагу та обставина, що крива 2 на рис.2 є більш консервативною залежністю, вона лежить значно нижче кривої 1. Крім того встановлено, що величини відносних довжин тріщини в листовому алюмінієвому сплаві 2024-ТЗ, що розділяє області з різними мікромеханізмами розвитку тріщини, неістотно відрізняються від відповідних відносних довжин тріщин у випробуваних листових матеріалах тієї ж товщини з низько вуглецевої та аустенітної сталей. Таким чином, застосування способу дозволяє більш достовірно прогнозувати залишкову міцність широких пластин із тріщинами різної довжини за результатами випробувань малогабаритних зразків. Суттєво також, що випробування проводять на зразках без вихідних тріщин.