Приведем некоторые основные методы, получившие наибольшее распространение:
• испытание на динамический изгиб стандартных (призматических) образцов по ГОСТ 9454-78* с полукруглым (г= 1 мм) или треугольным (г= 0,25 мм) надрезами, а также с концентратором в виде трещины усталости;
• испыгание на растяжение или изгиб крупных плоских (листовых) образцов натурной толщины с глубокими надрезами или трещинами усталости на кромках;
• испыгание падающим грузом на изгиб (в плоскости наименьшей жесткости) листовых образцов натурной толщины по Пеллини (DWT);
• испыгание падающим грузом на изгиб (в плоскости наибольшей жесткости) листовых образцов натурной толщины по методике института Батгеля (DWTT);
• определение температуры остановки инициированной трещины (ТОТ) на крупных составных листовых образцах натурной толщины по Робертсону или испытаниями «на двойное растяжение».
Наряду с концепцией переходной (критической) температуры, широко используемой в механике хрупкого разрушения, разработаны и получили значительное развитие аналитические методы, основанные на рассмотрении поля упругих напряжений в вершине трещины. При этом для оценки сопротивления строительных сталей хрупкому разрушению применяются энергетические, силовые и деформационные критерии механики разрушения. С использованием указанных критериев представляется возможным установить связь между разрушающим (или допустимым) напряжением и размером трещины, которая гипотетически может присутствовать в конструкции. Вместе с тем механика разрушения призвана дать обоснованную методику лабораторных испытаний, результаты которых можно бьшо бы переносить на элементы конструкции.
Основным критерием механики разрушения служит коэффициент интенсивности напряжений К, предложенный Ирвином (США), как параметр, определяющий поле упругих напряжений перед фронтом трещины, и является функцией приложенного напряжения и формы трещины. В упругой области для трещины в бесконечно широкой пластине, нагруженной нормальными напряжениями, направленными перпендикулярно трещине, выражение для коэффициента К имеет вид
к = а4, (1.9)
где о - номинальное напряжение; / - половина длины центральной сквозной трещины.
При других формах тел и расположении трещин, а также при переходе к телам ограниченных размеров и изменении характера распределения номинальных напряжений в формулу (L9) вводится соответствующая поправочная функция
к = <з4т fk,
Функция ff. может быть определена либо аналитически, либо из таблиц, составленных для наиболее распространенных типов образцов (по стандарту Е-399-81 ASTM и ГОСТ 25.506-85 на методы испытания сталей на трещиностойкость). При достижении напряжениями критических значений ор (момент нестабильного разрушения) коэффициент интенсивности напряжений также достигает критического
для данного материала значения: = ол/п! . При наиболее жестком напряженном состоянии, известном как «плоская деформация», критическое значение коэффициента интенсивности напряжений обозначается ki; к„ к являются, таким образом, характеристиками материала, которые определяются его способностью
сопротивляться распрострапепию трещины. Ниже представлены значения ki,., МНа- М/ для некоторых применяемых в строительстве марок сталей: Сталь марок:
СтЗсп........................60-80
09Г2С........................65-90
10Г2С1........................75-90
ЮХСНД........................100-120
16Г2АФ........................110-130
Зная значение ki для выбранной марки стали, проектировщик может рассчитать значение напряжения, вызывающее нестабильное разрушение при наличии дефекта определенного размера и формы при наиболее жестком напряженном состоянии.
Но Ирвину распространение хрупкой трещины происходит, когда расход энергии на ее распространение G (при плоском напряженном состоянии) достигает критического значения , называемого вязкостью разрушения и характеризующего скорость освобождения энергии упругой деформации пластины при образовании новых поверхностей разрушения:
G,=dA/dl, (1.10)
где А = Ра1 /2- работа внешних сил; д/- удлинение пластины под действием силы Р.
Установлено, что достижение критического состояния по энергии продвижения трещины Gc эквивалентно достижению критического состояния по коэффициенту интенсивности напряжений
к,=, (1.11)
где Е - модуль упругости.
Деформационный критерий хрупкого разрушения, предложенный Уэлсом, представляет собой критическое раскрытие трещины Ъ., которое при достижении напряжениями критического значения ор (ор < Оог) записывается в виде
О™ о „„л/
8,=. (1.12)
От Е
В области температур ниже второй критической {tj, где предельные нагрузки и деформации зависят слабо от температуры, но в значительной степени от уровня концентрации напряжений, размеров дефектов и характера нагружения при условии Окр «От , значение критического раскрытия трещины связано с энергетическим и силовым критерием разрушения соотношением
kG (1.13)
От£ От
Нри разрушающих напряжениях, близких к пределу текучести, выражение для критического раскрытия трещины получается из решения соответствующей упругопластической задачи. Так, для пластины с клиновидной узкой пластической зоной на продолжении трещины (модель, предложенная Дагдейлом) выражение для Ъ. имеет вид
5=lnsec. (1.14)
пЕ От
В условиях, близких к плоской деформации, когда Окр« От формулы (1.12) и (1.14) дают одинаковое значение 5.
Для определения условий разрушения на участке, претерпевающем одновременно упругую и пластическую деформацию, в качестве критерия разрушения может быть использован энергетический интеграл Раиса 1. Для линейного и нелинейного упругих состояний /-интеграл представляет собой энергию в области вершины трещины, приходящуюся на единичное смещение трещины. Это означает, что /-интеграл эквивалентен движущей силе трещины
I = G = k/E (1.15)
а в предельном случае
Iic=G,, = kl/E (1.16)
В случае тонкой пластической зоны перед фронтом трещины предельное значение /-интеграла связано со значением критического раскрытия трещины соотношением
Iic=A, (1-17)
где Оо - напряжение на границе пластической зоны.
При плоской деформации критерии разрушения имеют наименьшее значение, поскольку, благодаря механической стесненности, макроскопические деформации в вершине трещины практически отсутствуют. В металлоконструкциях указанное напряженное состояние реализуется в зонах с конструктивной концентрацией напряжений в элементах достаточно большой толщины при минимальных температурах эксплуатации.
При ПЛОСКОМ напряженном состоянии нестабильности трещины предшествует заметная локальная пластическая деформация, которая учитывается введением поправки на пластичность в выражении для о-
Рассмотренные выше критерии механики разрушения ki., Gi., Ъ., Ii находятся для данного материала экспериментально при соответствующих условиях нагружения и служат характеристиками сопротивления этого материала разрушению при наличии трещины. Поскольку значения каждого из рассмотренных силовых и деформационных критериев существенно зависят от геометрии образцов и условий нагружения, важное значение имеет определение их в условиях, максимально приближенных к эксплуатации.
В последнее время в связи с развитием механики разрушения предложены методы и образцы с концентраторами напряжений в виде усталостных трещин для определения характеристик сопротивления разрушению (трещиностойкости) стали в терминах механики разрушения: критического коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины при плосконапряженном и плоскодеформирован-ном напряженном состояниях ки ki , критического раскрытия трещины 5, lie-интеграла и др. Эти образцы по ГОСТ 25506-85 при оценке хладостойкости стали также испьггываются сериями при разных температурах, причем вычисляют температурные зависимости типа к, kiJJ), 5(7), IiciT) и др. Считают, что эти данные надежнее других позволяют прогнозировать поведение материала в конкретной конструкции, содержащей предполагаемый дефект в виде трещины.
Естественно, возникает вопрос о соотношении оценок, полученных разными методами. Кроме того, при испытании образцов в большинстве методов возможна оценка хладостойкости не по одной, а по нескольким характеристикам. Так, при стандартных испыганиях на динамический изгиб измеряемыми характеристиками могут служить поглощенная работа (ударная вязкость) КС, доля волокна в изломе В, относительное сужение под надрезом \/.
В некоторых работах установлено, что между температурами хрупкости, полученными в стандартных и других испытаниях, имеется устойчивая корреляционная
