Научно-методические основы исследования трещиностойкости металла по тепловому эффекту пластической деформации в зоне разрушения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ



СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕМОРОВ ВЛАДИМИР ЕВГЕНЬЕВИЧ

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА ПО ТЕПЛОВОМУ ЭФФЕКТУ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

В ЗОНЕ РАЗРУШЕНИЯ

01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

НОВОКУЗНЕЦК, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ................................................8

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ........................14

1.1. Современные представления о разрушении и причинах хрупкости металла......................................14

1.2. Основные положения механики разрушения и критерии тре-щиностойкости металлов .................................17

1.2.1. Основы теории Гриффитса и концепция квазихрупкого разрушения металла........................................17

1.2.2. Критерии распространения трещины в металлах............28

1.3. Экспериментальные методы оценки сопротивления металлов хрупкому разрушению ....................................38

1.3.1. Общая характеристика экспериментальных методов оценки сопротивления разрушению...............................38

1.3.2. Определение характеристик трещиностойкости металла методами механики разрушения.............................41

1.3.2.1. Общие положения........................................41

1.3.2.2. Определение силовых характеристик трещиностойкости.....43

1.3.2.3. Определение критического раскрытия трещины.............45

1.3.2.4. Определение энергетических показателей вязкости разрушения ..................................................50

1.3.3. Методы качественной оценки сопротивления металла хрупкому разрушению........................................51

1.3.3.1. Определение сопротивляемости разрушению по работе развития трещины..........................................51

1.3.3.2. Критические температуры вязко-хрупкого перехода........57

1.3.3.3. Определение несущей способности конструкций по сопротивлению хрупкому разрушению ..............................60

1.3.3.4. Специальные испытания крупногабаритных образцов и элементов конструкций.....................................67

1.3.4. Анализ существующих методов экспериментальной оценки сопротивления металла разрушению.......................68

1.4. Цель и задачи работы...................................72

Выводы по главе........................................76

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РЕГИСТРАЦИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО

ЭФФЕКТА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ЗОНЕ РАЗРУШЕНИЯ ДЛЯ

ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА РАЗВИТИЮ ТРЕЩИНЫ..........77

2.1. Состояние вопроса использования теплового эффекта пластической деформации в зоне разрушения для оценки сопротивления металла развитию трещин....................77

2.1.1. Сущность метода теплового импульса.....................77

2.1.2. Анализ существующих способов регистрации и измерения импульса тепла при разрушении .......................... 80

2.2. Разработка измерительных средств и выбор регистрирующей аппаратуры ......................................... 83

2.2.1. Выбор и обоснование физического принципа преобразования и метода измерения импульса тепла при разрушении металла ................................................ 83

2.2.2. Разработка датчика температуры для преобразования и регистрации теплового импульса в зоне разрушения .......86

2.2.2.1. Выбор и обоснование типа термочувствительного элемента датчика ................................................ 86

2.2.2.2. Конструкция и метрологические характеристики датчика____90

2.2.3. Разработка специализированного усилителя и регистрация импульса тепла при разрушении .......................... 91

2.2.3.1. Назначение, техническая характеристика и устройство усилителя ..............................................91

2.2.3.2. Осциллографирование теплового импульса.................94

2.3. Методика проведения испытаний .......................... 96

2.3.1. Оборудование и образцы для испытаний ...................96

2.3.2. Установка датчиков теплового импульса..................97

2.3.3. Тарировка измерительных каналов.......................100

2.3.4. Регистрация теплового импульса при разрушении.........105

2.4. Методика обработки результатов испытания ..............106

2.4.1. Определение теплофизических характеристик исследуемого металла................................................106

2.4.2. Определение расстояния от поверхности разрушения до точки измерения теплового импульса ....................107

2.4.3. Определение амплитудного значения импульса тепла, соответствующего работе пластической деформации при развитии трещины...........................................108

2.4.4. Определение количества тепла, выделяющегося в резуль-

тате работы пластической деформации при развитии трещины...............................................113

2.4.4.1. Описание физической и математических моделей для определения количества тепла..............................ИЗ

2.4.4.2. Методика и результаты оценки адекватности физической и математических моделей источников тепла при различных видах разрушения..................................116

2.4.5. Определение характеристик сопротивления металла развитию трещин............................................124

2.4.5.1. Определение удельной работы развития трещины..........124

2.4.5.2. Определение характеристик трещиностойкости............126

2.4.5.3. Построение R-кривых и определение критических значений характеристик сопротивления разрушению ................ 129

2.4.6. Оценка скорости развития трещины методом теплового

импульса..............................................130

Выводы по главе ....................................... 132

3. СРАВНИТЕЛЬНЬЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗРУШЕНИЮ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК СТАЛИ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ И МЕТОДА ТЕПЛОВОГО ИМПУЛЬСА..............................................134

3.1. Методика сравнительных исследований...................134

3.1.1. Методы оценки сопротивления разрушению исследуемых

сталей и сварных соединений...........................134

3.1.1.1. Определение работы развития трещины по деформационным характеристикам исследуемого металла..................134

3.1.1.2. Образцы и схема нагружения............................136

3.1.1.3. Определение удельной работы развития трещины методом теплового импульса....................................137

3.1.1.4. Определение критического коэффициента интенсивности напряжений............................................139

3.1.1.5. Регистрация параметров испытания......................141

3.2. Результаты сравнительной оценки сопротивления разрушению различных марок стали.............................141

3.2.1. Состав и свойства исследуемых сталей..................141

3.2.2. Анализ диаграмм "нагрузка-прогиб" и осциллограмм теплового импульса при разрушении образцов...............143

3.2.3. Сравнительная оценка сопротивления разрушению исследуемых сталей по работе развития трещины..............148

3.2.4. Сравнительная оценка трещиностойкости исследуемых сталей на основе существующих подходов механики разрушения и метода теплового импульса.......................153

3.2.5. Анализ R-кривых, полученных для исследуемых сталей по данным метода теплового импульса......................157

3.2.6. Результаты оценки скорости развития трещины при разрушении образцов исследуемых сталей.....................162

3.3. Результаты исследования сопротивления разрушению сварных соединений........................................170

3.3.1. Состав и свойства сварных соединений..................170

3.3.2. Анализ диаграмм "нагрузка-прогиб" и осциллограмм теплового импульса при разрушении сварных образцов.......171

3.3.3. Оценка сопротивления разрушению сварных образцов по работе развития трещины...............................172

3.3.4. Оценка трещиностойкости сварных соединений............176

3.3.5. Анализ R-кривых, полученных для сварных образцов по

данным метода теплового импульса......................179

Выводы по главе.......................................181

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА ПРИ РАЗРУШЕНИИ В УСЛОВИЯХ ПЛОСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ПЛОСКОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ СТАНДАРТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ И ПО ТЕПЛОВОМУ ЭФФЕКТУ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ЗОНЕ ТЕКУЧЕСТИ ПЕРЕД ТРЕЩИНОЙ..............................................183

4.1. Металл и образцы. Оборудование. Приборы и датчики параметров испытания....................................183

4.1.1. Состав и свойства исследуемой стали...................183

4.1.2. Образцы для испытаний.................................183

4.1.2.1. Схема отбора. Тип и размеры образцов..................183

4.1.2.2. Подготовка образцов к испытанию.......................186

4.1.3. Методика испытаний....................................188

4.1.3.1. Регистрация нагружающего усилия и смещения кромок трещины ..................................................188

4.1.3.2. Измерение теплового импульса при разрушении...........190

4.2. Результаты исследования трещиностойкости стали М76 при разрушении в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния................................191

4.2.1. Результаты испытания цилиндрических образцов..........191

4.2.1.1. Анализ диаграмм "нагрузка-смещение" и осциллограмм

теплового импульса при разрушении.....................191

4.2.1.2. Оценка критического коэффициента интенсивности напряжений .................................................194

4.2.1.3. Определение удельной работы развития трещины и характеристик трещиностойкости методом теплового импульса .. 197

4.2.2. Результаты испытания плоских образцов .................201

4.2.2.1. Анализ диаграмм "нагрузка-смещение" и осциллограмм теплового импульса при разрушении .....................201

4.2.2.2. Оценка критических значений коэффициента интенсивности напряжений и ^интеграла..............................204

4.2.2.3. Оценка удельной работы развития трещины и характеристик трещиностойкости методом теплового импульса.......206

4.3. Результаты исследования количественного соотношения и корреляционной связи между характеристиками вязкости разрушения в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния при различных методах оценки ...209

4.3.1. Оценка соотношения и корреляции между силовыми характеристиками трещиностойкости..........................209

4.3.2. Оценка соотношения и корреляции между трещинодвижущей силой и силой сопротивления разрушению при плоской деформации ..............................................218

4.3.3. Оценка соотношения и корреляции между характеристиками

трещиностойкости при плоском напряженном состоянии____222

Выводы по главе .......................................243

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ЗОНЕ РАЗРУШЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА ПРИ ИСПЫТАНИИ ТРУБ И ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ......245

5.1. Образцы и виды испытания. Состав и свойства исследуемой стали.............................................245

5.2. Оценка трещиностойкости исследуемой стали при гидростатических испытаниях отрезков труб в условиях нормальной и низкой температуры ..........................251

5.2.1. Методика испытаний....................................251

5.2.2. Результаты оценки трещиностойкости металла труб

по тепловому эффекту пластической деформации в зоне разрушения............................................255

5.2.2.1. Анализ осциллограмм теплового импульса при разрушении

исследуемых труб......................................255

5.2.2.2. Результаты определения удельной работы развития трещины и критических значений КИН по данным теплового импульса ................................................258

5.3. Исследование трещиностойкости металла труб при растяжении плоских образцов................................267

5.3.1. Методика исследования.................................267

5.3.2. Результаты исследования трещиностойкости плоских образцов с использованием метода теплового импульса и существующих подходов механики разрушения.............271

5.3.2.1. Определение удельной работы развития трещины и критических значений КИН методом теплового импульса........271

5.3.2.2. Определение критических значений КИН с использованием существующих подходов механики разрушения.............276

5.4. Сравнительный анализ результатов оценки вязкости разрушения труб при различных методах определения характеристик трещиностойкости.............................281

Выводы по главе.......................................286

6. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ДОСТОВЕРНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА ПО ТЕПЛОВОМУ ЭФФЕКТУ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ЗОНЕ РАЗРУШЕНИЯ ...............................................288

6.1. Общие закономерности и некоторые особенности формирования теплового эффекта при зарождении и развитии трещин в металлах........................................288

6.2. Анализ достоверности определения трещиностойкости металла по тепловому эффекту пластической деформации в

зоне разрушения.......................................298

Выводы по главе .......................................301

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................302

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................... 306

ЛИТЕРАТУРА............................................308

ПРИЛОЖЕНИЕ (отдельный том).

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее опасным и, в то же время, наименее изученным предельным состоянием металлических конструкций, машин и механизмов является хрупкое разрушение, возникающее при напряжениях значительно ниже номинальных.

В течение длительного периода считалось, что разрушение - явление абсолютно неизбежное. И лишь к началу XX века сформировалось представление о сопротивлении разрушению как некотором критическом напряжении, при котором возникает трещина. Такой подход стал основой известных теорий прочности и ряда экспериментальных методов определения сопротивления отрыву или хрупкой прочности материалов.

Однако, сопротивление отрыву оказалось малоэффективной характеристикой, т.к. пластичные конструкционные стали могут переходить в хрупкое состояние при понижении температуры эксплуатации, увеличении скорости нагружения и в результате усложнения напряженно-деформированного состояния. Причем, охрупчивающее действие этих факторов проявляется в большей степени при наличии в материале концентраторов напряжений.

На основе выявленных причин перехода пластичных материалов в хрупкое состояние была предложена качественно новая характеристика сопротивления разрушению - ударная вязкость, представляющая собой количество поглощенной энергии при динамическом изгибе призматических образцов с надрезом.

Однако, уже в начальный период использования ударной вязкости в качестве характеристики сопротивления разрушению было установлено, что для большинства конструкционных сталей уровень поглощенной энергии при разрушении резко изменяется в довольно узком интервале температур. С учетом этого для оценки сопротивления хрупкому разрушению было предложено использовать некоторое допустимое значение ударной вязкости при заданной температуре испытания, либо верхнее, нижнее или среднее значение температуры перехода от вязкого к хрупкому разрушению, а также - критическую температуру, значение которой определяется по соотношению хрупкой и вязкой составляющей на поверхности излома.

Позднее было установлено, что процесс разрушения проходит в две стадии: на первой из них происходит зарождение трещины, а на второй - ее развитие. В связи с этим были разработаны различные ме-

тоды разделения ударной вязкости на составляющие - работу зарождения и распространения трещины, а также - методы определения работы развития разрушения.

А. Гриффите впервые связал развитие трещин с процессами накопления и высвобождения энергии упругой деформации в хрупких материалах и ввел понятие критического напряжения, при котором трещина достигает критической длины и начинает развиваться.

Позже было установлено, что процесс развития трещин в реальных металлах, даже если они находятся в хрупком состоянии, всегда сопровождается более или менее развитой пластической деформацией вблизи вершины трещины. Эта важная особенность положена в основу концепции квазихрупкого разрушения металлов, которую предложили Е.Орован и Дж.Ирвин.

На основе теории Гриффитса и концепции Орована - Ирвина было предложено два эквивалентных условия квазихрупкого разрушения металла, согласно которым трещина начинает распространяться, если плотность высвобожденной энергии упругой деформации, либо значение коэффициента интенсивности напряжений в упругой области перед трещиной достигают критической величины. При этом, критическая величина высвобожденной энергии рассматривается как энергетический показатель, а критическое значение коэффициента интенсивности напряжений принято в качестве силового критерия начала роста трещины в условиях локализованной текучести металла в зоне разрушения.

При развитой пластической деформации перед трещиной в качестве характеристик сопротивления материала разрушению было предложено использовать критические значения раскрытия трещины 8С и инвариантного J - интеграла.

Таким образом, в настоящее время сформулировано несколько критических условий начала роста трещин и предложены разнообразные характеристики качественной и количественной оценки сопротивления хрупкому разрушению.

Качественные характеристики и, прежде всего, наиболее распространенная из них - ударная вязкость, используются как нормативные и контрольные показатели сопротивления хрупкому разрушению при производстве металла, а также при выборе стали и технологических режимов сварки для изготовления конструкций, машин и механизмов с учетом конкретных условий эксплуатации.

С помощью количественных характеристик сопротивления разруше-

нию устанавливается связь между напряжениями, возникающими в области перед трещиной, и общим напряженно-деформированным состоянием в рассматриваемом сечении, а также- между свойствами материала и размерами дефекта, что позволяет использовать эти характеристики в расчетах при определении прочности, долговечнос