Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении

На базе экспериментальных данных, полученных при многоцикловом нагружении хладноломких сталей, определены критические характеристики вязкохрупкого перехода. С помощью критерия инвариантности эффективной кинетической диаграммы усталостного разрушения - ограниченного и текущего эффективного размаха ко...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2002
Автор:	Пиняк, И.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2002
Назва видання:	Проблемы прочности
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46920
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении / И.С. Пиняк // Проблемы прочности. — 2002. — № 5. — С. 53-69. — Бібліогр.: 46 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-46920
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-469202013-07-07T22:56:03Z Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении Пиняк, И.С. Научно-технический раздел На базе экспериментальных данных, полученных при многоцикловом нагружении хладноломких сталей, определены критические характеристики вязкохрупкого перехода. С помощью критерия инвариантности эффективной кинетической диаграммы усталостного разрушения - ограниченного и текущего эффективного размаха коэффициента интенсивности напряжений - эти характеристики описывают границы существования такого явления, как вязкохрупкий переход, а также определяют первую Тс1 и вторую Тс2 критические температуры хрупкости. Установлено, что эффективный размах коэффициента интенсивности напряжений ΔКеff, определенный методом измерения текущего раскрытия вершины трещины, является локальной характеристикой трещиностойкости материала в линейно-упругой механике разрушения На базі отриманих за багатоциклового навантаження холодноламких сталей експериментальних даних визначено критичні характеристики в’язкокрих- кого переходу. За допомогою критерію інваріантності ефективної кінетичної діаграми втомного руйнування - обмеженого і поточного ефективного розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень - ці характеристики описують межі існування такого явища, як в ’язкокрихкий перехід, а також визначають першу Tc1 і другу Tc2 критичні температури крихкості. Показано, що визначений методом поточного розкриття вістря тріщини ефективний розмах коефіцієнта інтенсивності напружень ΔKeff локальною характеристикою матеріалу в лінійно-пружній механіці руйнування. From the experimental results of high-cycle loading of cold-brittle steels we have established critical characteristics of the tough-tobrittle transition. We use the above characteristics and the invariance criterion of an effective kinetic fatigue-failure diagram - the limited and current effective range of stress intensity factor - to define the tough-to-brittle transition boundaries and the first Tc1 and the second Tc2 critical embrittling temperatures. It was found that an effective range of stress intensity factor ΔKeff determined by the current crack-tip opening method is a local fracture toughness characteristic of a material in linear-elastic fracture mechanics. 2002 Article Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении / И.С. Пиняк // Проблемы прочности. — 2002. — № 5. — С. 53-69. — Бібліогр.: 46 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46920 539.4:620.171:620.178:620.191.33 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Пиняк, И.С. Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении Проблемы прочности
description	На базе экспериментальных данных, полученных при многоцикловом нагружении хладноломких сталей, определены критические характеристики вязкохрупкого перехода. С помощью критерия инвариантности эффективной кинетической диаграммы усталостного разрушения - ограниченного и текущего эффективного размаха коэффициента интенсивности напряжений - эти характеристики описывают границы существования такого явления, как вязкохрупкий переход, а также определяют первую Тс1 и вторую Тс2 критические температуры хрупкости. Установлено, что эффективный размах коэффициента интенсивности напряжений ΔКеff, определенный методом измерения текущего раскрытия вершины трещины, является локальной характеристикой трещиностойкости материала в линейно-упругой механике разрушения
format	Article
author	Пиняк, И.С.
author_facet	Пиняк, И.С.
author_sort	Пиняк, И.С.
title	Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении
title_short	Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении
title_full	Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении
title_fullStr	Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении
title_full_unstemmed	Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении
title_sort	вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2002
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46920
citation_txt	Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении / И.С. Пиняк // Проблемы прочности. — 2002. — № 5. — С. 53-69. — Бібліогр.: 46 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT pinâkis vâzkohrupkijperehodvhladnolomkihmetallahprimnogociklovomnagruženii
first_indexed	2025-07-04T06:27:37Z
last_indexed	2025-07-04T06:27:37Z
_version_	1836696687140143104
fulltext	УДК 539.4:620.171:620.178:620.191.33 Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при много цикловом нагружении И. С. П иняк Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина На базе экспериментальных данных, полученных при многоцикловом нагружении хладно ломких сталей, определены критические характеристики вязкохрупкого перехода. С по мощью критерия инвариантности эффективной кинетической диаграммы усталостного разрушения - ограниченного и текущего эффективного размаха коэффициента интенсив ности напряжений (АК/с1 й т2 £ АКе/ < АКу™^ эти характеристики описывают границы существования такого явления, как вязкохрупкий переход, а также определяют первую Тс1 и вторую Тс2 критические температуры хрупкости. Установлено, что эффективный размах коэффициента интенсивности напряжений АКе//, определенный методом измере ния текущего раскрытия вершины трещины, является локальной характеристикой тре- щиностойкости материала в линейно-упругой механике разрушения. К лю чевы е слова : критические характеристики вязкохрупкого перехода, кри терий инвариантности, эффективный размах коэффициента интенсивности напряжений. О б о з н а ч е н и я Т Тс1 , Тс 2 О, О У 0,2 К і К КК тіп , К тах я АК А К е// АКОР Кор АК /с/.й,Т2 температура первая и вторая критические температуры хрупкости физический предел текучести условный предел текучести предел прочности номинальное напряжение номинальное разрушающее напряжение по ослабленному сечению образца критический коэффициент интенсивности напряжений (КИН) для трещины отрыва (тип I) при статическом нагружении минимальный и максимальный КИН в цикле асимметрия цикла нагружения образца, Я = К т;п /К тах номинальный размах КИН в цикле, АК = К тах — К т ;п эффективный размах КИН в цикле, А К е̂ - = АК — АК°СР характеристика закрытия трещины в цикле, АК°ср = К тах — К ор КИН раскрытия трещины в цикле критический пороговый эффективный размах КИН при второй температуре хрупкости (нижняя граница роста усталостной трещины при наличии ее закрытия) © И. С. ПИНЯК, 2002 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 5 53 в 0 со И. С. Пиняк АК /с и МТ/Лпу Ы /Лт А К г//,Г1 , А К е//,Т2 АК /Л т е/,Тх А К П Рор йа/йИ С1; С з , п-у, п з С 2 , С 4 , п 2 , п 4 I* т* критический эффективный размах КИН при разных температурах (верхняя граница роста усталостной трещины при наличии ее закрытия) соответственно первый и второй критические эффективные размахи КИН (критические характеристики определены при первой Тсі и второй Тс2 критических температурах хрупкости) потери инвариантности эффективной кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР) к асимметриям цикла нагружения, исследованным при комнатной температуре, и низким температурам критический эффективный размах КИН потери “ручейковой” инвариантности эффективной КДУР к низким температурам характеристика инвариантности эффективной КДУР (в том числе низкотемпературной и “ручейковой” инвариантности) к асимметриям цикла нагружения, исследованным при комнатной температуре, и низким температурам усилие, необходимое для раскрытия вершины трещины скорость роста усталостной трещины (РУТ) эффективные характеристики материала в формуле Париса номинальные характеристики материала в формуле Париса размер зерна количество бороздок усталости в зерне г размером I* П остановка задачи. Анализ известных данных [1-27] показывает, что для хладноломких металлов характерно явление вязкохрупкого перехода, ограниченного переходными температурами хрупкости. Согласно работам [16-19], переходными температурами считаются тем пературы хрупкости: первая Тсу, соответствующая переходу от вязкого раз рушения к квазихрупкому, и вторая Тс2 - от квазихрупкого разрушения к хрупкому. Температуры хрупкости называют еще критическими темпера турами хрупкости, или температурами хладноломкости вязкохрупкого пере хода. Температуры Тсі и Тл соответствуют, в сравнительно узком темпера турном интервале, резкому изменению характеристик разрушения (ударная вязкость, остаточное относительное удлинение или поперечное сужение, доля волокнистого излома, местные пластические деформации, коэффици ент интенсивности напряжений, характерный размер критической пласти ческой зоны в вершине трещины). Указанные температуры устанавлива ются согласно разным методикам по точкам пересечения температурных зависимостей механических характеристик (условный предел текучести О0 2 и предел прочности Ов либо предел текучести О0 2 и номинальное разрушающее напряжение по ослабленному сечению образца Осо [16, 19, 23]) или по температурным зависимостям (статическая трещиностойкость 54 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 5 Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах К 1с материала [20, 21], высота зоны вытягивания 2Н, которая зависит от критического раскрытия трещины д 1с, граница выполнения условий плос кой деформации [22], приросты трещины Д а1 и Д а2 на зависимости Да — Т [26], местные пластические деформации, доля вязкой составляющей в изломе, относительное удлинение либо поперечное сужение, КИН, /-и н те грал, раскрытие вершины трещины [16, 23]). Однако в настоящее время не существует единого мнения о том, какая из указанных характеристик разру шения наиболее приемлема для определения критических температур хруп кости. Следует отметить, что величина критической температуры хрупкости зависит от выбора критерия ее определения и влияния основных факторов: скорости деформирования материала у вершины трещины; размера зерна (рост скорости и зерна приводит к повышению критической температуры хрупкости); напряженного состояния у вершины трещины. Критерии механики разрушения, подобно классическим критериям, ба зируются на гипотезе механики твердого деформируемого тела, представ ляющего материал как бесструктурную сплошную среду, и являются, по сути, критериями сравнения, т.е. бесструктурными (абсолютными). Струк турные, т.е. локальные, критерии разрушения в отличие от бесструктурных учитывают конкретную структуру материала, а также обусловленный струк турой микромеханизм разрушения. Указанные критерии могут основываться на концепции “встречного разрушения” [28], когда очаг разрушения распо ложен на определенном расстоянии от вершины трещины (определяется положением пика главных растягивающих напряжений в вершине трещины [29], структурой материала [18]), либо на концепции последовательного разрыва межатомных связей (структурных элементов) [30, 31] в вершине трещины. Определение критических температур хрупкости ТС1 и ТС2 (склон ности металла к хрупкому разрушению) при статическом нагружении осу ществляется по методам [16-26], которые основаны на концепции последо вательного разрыва структурных элементов. Созданные на базе указанных методов критерии, устанавливающие величину критических температур хрупкости ТС1 и ТС2, являются абсолютными, поскольку локальные крите рии содержат в явном виде характеристики структуры материала, а также отвечают на вопрос, почему данный материал обладает именно такой трещи- ностойкостью. Необходимо дополнить, что локальные и абсолютные крите рии должны быть взаимосвязанными, потому что описывают одно и то же явление. Для достоверного определения критических температур хрупкости Тс1 и ТС2 при циклическом нагружении основополагающими являются данные работ [18, 32-37]. В [32-34] приводятся общие закономерности кинетики РУТ в металлах и сплавах при низких температурах (рис. 1). Авторы работ [18, 33, 35, 37] отмечали, что в начале вязкохрупкого перехода происходит смена механизмов вязкого разрушения на механизмы хрупкого разрушения, т.е. бороздки усталости заменяются фасетками скола. Завершается этот переход преобладанием чистого скола, что приводит к заметному ускорению роста усталостной трещины. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 5 55 И. С. Пиняк в г Рис. 1. Рост (а, б) и схема роста (в, г) усталостной макротрещины в хладноломких (а, б, г) и не хладноломких (в) сталях [34] с понижением температуры до наступления хрупкого разрушения. Функциональные зависимости скорости роста усталостной трещины ёа/ о т номинального размаха КИН АК в логарифмических координатах при комнатной температуре (Т = 293 К) и температуре вязкохрупкого пере хода пересекаются в точке, которая, по мнению авторов [18, 33-38], харак теризует температуру вязкохрупкого перехода (рис.1). В работах [18, 33, 38] были построены зависимости ёа/ёЫ — Т с целью нахождения (для нагляд ности РУТ с повышением нагрузки) критического КИН К тах (размаха КИН АК), при котором произойдет разрушение образца в условиях вязкохрупкого перехода. Результаты работ [16, 17, 23] показывают, что для металлов и сплавов характерны следующие типы разрушения: хрупкое (номинальное напряже ние а о составляет не более 0,7...0,8 физического предела текучести, такое разрушение представляет наибольшую опасность ввиду неожиданности и большой скорости распространения трещины); квазихрупкое (а у < а о < а в) 56 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 5 Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах И вязкое (о 0 > о в). При этом необходимо отметить, что переходные темпе ратуры Гс1 и Тс2 могут сужать или расширять диапазон типов разрушения, формируемый температурой среды, в которой находится материал [16-18, 23, 27]. Заметим, что многоцикловое нагружение в условиях низкой темпе ратуры изменяет тип разрушения при относительно невысоком значении размаха КИН АК [18, 33-38]. При этом хорошо проявляются отмеченные выше особенности. В работе [27] установлено, что: “Граница между мало- и многоцикло вой усталостью является условной, она характеризует среднее значение долговечностей, при которых происходит переход от малоциклового упруго пластического к многоцикловому упругому циклическому деформированию”. В то же время, согласно [39]: “Багатоциклова втома - це втома матеріалу, за якої втомне пошкодження і руйнування відбуваються без виявлення накопи чених деформацій. Малоциклова втома - це втома матеріалу, за якої втомне пошкодження і руйнування відбуваються в основному під час пружноплас- тичного деформування”. Из этих заключений, а также из работ [17, 18, 23] следует, что многоцикловая усталость протекает при нагрузках Р, которые ниже физического о у предела текучести материала, в границах примени мости линейно-упругой механики разрушения и ее критериев (номиналь ного АК и эффективного А К (̂ размахов КИН, последний из них для определения границ вязкохрупкого перехода еще не рассматривался). При нагрузках Р выше физического о у предела текучести материала пласти ческие деформации распространяются на все нетто-сечение (разрушение материала сопровождается развитой текучестью в вершине трещины), и критерии линейно-упругой механики разрушения уже неприемлемы. Работают критерии нелинейной механики разрушения (раскрытия трещины д, /-интеграла, коэффициента интенсивности деформаций), которые приме нимы к малоцикловой усталости. С учетом особенностей многоцикловой усталости, определения темпе ратур вязкохрупкого перехода, комплексного влияния во времени величин, формы, характера внешних факторов (коэффициентов асимметрии цикла, комнатной и низких температур) в настоящей работе предпринята попытка экспериментально выявить на эффективной кинетической диаграмме уста лостного разрушения характеристики критических температур хрупкости и эмпирически описать границы их наличия. Описание границ наличия явления вязкохрупкого перехода в условиях многоциклового нагружения. На рис. 2 в координатах — ^ А К е£ - , ^ АК представлена кинетика роста усталостной макро трещины в сталях 3 0 И и Б9Н при многоцикловом нагружении в условиях разных температур и асимметрии цикла Я = 0,1. Из рисунка и полученных ранее данных [40] следует, что отрицательные температуры прерывают инвариантность эффективной кинетической диаграммы усталостного разру шения (построена в координатах ^ d а \|d N — ^ А К е̂ ) к асимметрии цикла нагружения (создана при комнатной температуре) и низким температурам. Критическая характеристика (всегда будет меньше величины АК ^ т ) потери существующей инвариантности эффективной КДУР к различным факторам описывается и обозначается критическим эффективным размахом ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 5 57 И. С. Пиняк ЙГ5 К)"* 10- ' ]()■* 10‘9 ю 10- 5 ДК,\|,е1т 8 Ю АК„, 20 30 ДКе1Г. ЛК.МПа%/м 10'5 ю-6 10‘7' ю-- 10'9 10" - Рис. 2. Зависимость скорости роста усталостной трещины ёа/ёШ от АК и АК^ при разных температурах и асимметрии цикла К = 0,1: 1-3, 9 и 1-4, 9, 13 - ёа/ёШ от АК соответственно для сталей 30Ь-1 (а) и Б9Н (б); 4-6 и 5-8, 10 - ёа^Ш от А К^ для сталей 30Ь-1 (а) и Б9Н (б); а - 1, 4 - Т = 293 К; 2, 5 - Т = 253 К; 3, 6 - Т = 213 К; 9 - Т = 158 К; 7 - критический момент потери инвариантности эффективной КДУР к асимметрии цикла, комнатной и низким температурам; 8 - нижняя граница роста усталостной трещины при закрытии трещины; б - 1, 5 - Т = 293 К; 2, 6 - Т = 253 К; 3, 7 - Т = 213 К; 4, 8 - Т = 198 К; 9, 10 - Т = 188 К; 13 - Т = 125 К; 11 - критический момент потери инвариантности эффективной КДУР к асимметрии цикла, комнатной и низким температурам; 12 - верхняя граница роста усталостной трещины при закрытии трещины. Л\|/с1Ы.м/цикл о - 1 +-2 о-З -4 • 5 -(>■-7 I X Д-9А-10 [11-110-12 - - 13 Т ДК„, 20 б т-----1---- 1— 1—г ДКеП. ДК.МГЫм а аа/аЫ. м/цикл + - 1 о-2 Д-3 - 4 #-5 А- 6 □ - 7 0 - 8 - 9 ЛКгс ̂ ■ I 58 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2002, № 5 Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах КИН потери инвариантности Д К ^ Т эффективной кинетической диаграм мы усталостного разрушения. Меньше величины Д К ^ Т (рис. 2) эффек тивная КДУР инвариантна к коэффициентам асимметрии цикла нагружения, созданным при комнатной температуре, и к низким температурам для обеих сталей. Однако их эффективные КДУР при низких температурах по дости жении характеристики Д К ^ ™ приобретают свою низкотемпературную - рис. 2,а, иногда своеобразную “ручейковую” инвариантность - рис. 2,6, что свидетельствует об аномалии [33], так называемом “горбе” на номинальной КДУР при комнатной температуре. Такое явление говорит о том, что конст рукционный материал создан для конкретных условий эксплуатации (в нашем случае для низких климатических температур; при этом решены структурные, технологические, физико-химические вопросы). Для стали 30Ь-1 (рис. 2,а) низкотемпературная инвариантность (незна чительна по величине в сравнении с низкотемпературной инвариантностью стали Б9Н) эффективной КДУР к исследуемым факторам наступает при отрицательной температуре (Т = 253 К) и значении Д К ^ 1̂ > 17,4 МПал/м. При температуре Т = 248 К низкотемпературная инвариантность эффектив ной КДУР имеет место, а при Т = 243 К - отсутствует (эффективная КДУР разрывается). Из-за загромождения семейства КДУР их номинальные и эффективные КДУР при температуре Т = 243 и 248 К на рис. 2,а не показаны. При низкой климатической температуре (Т = 213 К) и характерис тике инвариантности Д К ^ , большей 8,3 МПал/)м, заметно увеличивается разрыв эффективной КДУР (рис. 2,а) [40]. Рис. 2,6 иллюстрирует инвариантность эффективной КДУР (в коорди натах ^ d a \|d N — ^ Д К г£~) к низким температурам и комнатной температу ре, а также положительным асимметриям цикла нагружения для стали Б9Н. Низкотемпературная инвариантность эффективной КДУР наступает при Т = 213 К и Д К% ™ > 21,8 МПа-ч/м на втором участке эффективной КДУР и сопровождается вязким механизмом разрушения - бороздками усталости [18]. При Т = 253 К в верхней части эффективной КДУР происходит откло нение “ручейковой” инвариантности от низкотемпературной, которое боль ше характеристики инвариантности Д К ^ = 26,3 МПал/м, равной крити ческому эффективному размаху КИН потери “ручейковой” инвариантности ДК>^ . эффективной КДУР, что сопровождается появлением квазибороз док усталости [41]. По-видимому, такое отклонение будет происходить при каждой температуре в диапазоне 253 К > Т >198 К. Если Т > 213 К, то ха рактеристика “ручейковой” инвариантности Д К ^ сначала “скользит” по низкотемпературной инвариантной эффективной КДУР, а затем “ручейки” текут вверх на семействе КДУР, увеличиваясь до Д К ^ т . Если же Т < 213 К, то характеристика Д К ^ уменьшается, после чего “скользит” по эффектив- ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 5 59 И. С. Пиняк ной КДУР - от характеристики ДК ̂ с1 т до величины ДК { Т ^ = 21,8 М Па^м (зеркальное отображение “ручейков”, которые текут ниже эффективной КДУР). В области температуры Т = 213 К низкотемпературная инвариантность эффективной КДУР соблюдается и сопровождается вязким разрушением - бороздками усталости. Однако выше критических эффективных размахов КИН потери “ручейковой” инвариантности Д К ^ Т эффективной КДУР с понижением температуры и повышением номинального размаха КИН по являются квазибороздки усталости. При дальнейшем понижении темпера туры происходит зарождение квазихрупкого разрушения, которое наступает при доминировании хрупкого рельефа излома - фасеток скола. При температуре Т =198 К критический эффективный размах КИН потери “ручейковой” инвариантности эффективной КДУР к низким темпе ратурам равен Д К { Т = Д К ^ ’ = 24,5 МПал/м. Критический эффек тивный размах КИН потери инвариантности эффективной КДУР к положи тельным асимметриям цикла нагружения, комнатной и низким температурам Д К ^ Т = 21,8 МП^л/м. Значения первого Д К { Т и второго Д К ^ Т кри тических эффективных размахов КИН потери инвариантности эффективной КДУР стремятся к равенству. При Т = 188 К и характеристике инвариантности Д К ф = 18,2 МПал/м происходит разрыв эффективной КДУР, а при Т = 193 К можно получить равенство критических эффективных размахов КИН потери инвариантности эффективных КДУР, Д К { ™ = = 21,8 МПа-Ум. Ввиду загроможде ния семейства КДУР их номинальные и эффективные КДУР при Т = 198 и 193 К на рис. 2,б не показаны. Таким образом, при Т = 193 К наступил вязкохрупкий переход (квази- хрупкое разрушения), который характеризуется первой критической темпе ратурой хрупкости Г С1 и определяется величиной Д К ^ Т = 21,8 МПал/м. Происходит смена механизма вязкого разрушения (бороздки усталости) на механизм квазихрупкого разрушения (фасетки скола) из-за резкого умень шения закрытия вершины трещины (остаточных сжимающих напряжений в вершине трещины, т.е. пластических деформаций). Уменьшилась пластич ность материала, о чем свидетельствует крутой спад характеристики закры тия трещины Д К °С1 ниже точки Д К { конца инвариантности эффектив ной КДУР (рис. 3,а). Материал стал квазихрупким. С дальнейшим понижением температуры уменьшаются характеристика инвариантности Д К { { до эффективного порогового размаха КИН = 8,8 МПал/м (рис. 2,б) и характеристика закрытия трещины Д К 0ср (рис . 3) . Заметим, что при каждом понижении температуры происходят разрывы эффективной КДУР, а также выпрямление номинальной КДУР (показано стрелками на рис. 2). 60 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2002, № 5 Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах AK°f, МПал/м 9 8 7 6 5 4 3 2 1 О 10 15 20 25 30 Д£, МПал/м" 8 7 6 5 4 3 2 1 О 10 12 14 16 18 20 22 АК, МПал/м" б Рис. 3. Зависимость характеристики закрытия трещины от номинального размаха КИН AK для сталей D9H (а) и 30L-1 (б) при разной температуре, асимметрии цикла R = 0,1 и частоте нагружения f = 15 Гц. 125 K При Т = 125 K и номинальном пороговом размахе КИН A K th = = 18,5 М ПаТм закрытие трещины отсутствует на пороге трещиностойкости (A K ° f = 0, на оси абсцисс рис. 3,а прямая линия). При наличии закрытия усталостной трещины наступает нижняя граница ее роста, описываемая критическим пороговым эффективным размахом КИН AK f d th т2 (равен величине A K th = 18,5 МПа л/м) критерия роста усталостной трещины A K fcl.th,R Т etc. ^ A K eff ^ A K fcl,R T,etc. [40, 42]. ДаННый критерий (в его гра ницах) характеризует через запас пластичности (наличие остаточных сжима ющих напряжений в вершине трещины, т.е. пластической зоны у вершины трещины с пластическим потоком вдоль ее берегов) наступление хрупкости материала. При Т = 125 K исчерпался запас пластичности материала, и он стал хрупким. Таким образом, при Т = 125 K в стали D9H завершился вязкохрупкий переход и наступило хрупкое разрушение (температура нулевой пластич ности - Авт.), что характеризуется второй критической температурой хруп- a АК°[, МПаУм~ ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 5 61 И. С. Пиняк кости Т С2 , критическим эффективным размахом КИН потери инвариант ности А К ^ Т эффективной КДУР, равным критическому пороговому эффек- тивн°му размаху КИН А Х /сШ р2 (А Х /с1ЛД2 = АК ^ Т = 18,5 М Ш л/м). Хрупкое разрушение сопровождается ускорением роста усталостной трещины при увеличении номинального размаха КИН АК и отсутствии закрытия трещины на пороге трещиностойкости, т.е. пластичности матери ала. Номинальная кинетическая диаграмма усталостного разрушения в ко ординатах ^ йа/йЫ — ^ АК приближается к прямой линии (рис. 2). На рельефе излома преобладает хрупкий механизм разрушения - чистый скол. Полученные при исследовании стали 30Ь-1 результаты представлены на рис. 2,а, 3,6 и 4. Первая Тс1 и вторая Тс2 критические температуры хрупкости наступают соответственно при Т = 248 и 158 К и характерис тиках А К ^ 'Т =17 ,4М Пал/м , А К /сикТі = А Х ^ = 15,7МПал/м. Начало хрупкого разрушения в сталях 30Ь-1 при Т = 158 К и Б9Н при Т = 125 К подтверждают результаты эксперимента (рис. 4), поставленного согласно методике [23]. о , МПа 800 -I--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 750 - V * 0 , 2 ^ 650 - 550 ' (158К) St.30L.-l 500 - St'30L‘ 1 300 I-------- 1-------- 1-------- 1-------- 1-------- г-----—т--- > — I---------1-------- 1 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 T , ° C Рис. 4. Температурные зависимости условного предела текучести о0 2 и номинального разрушающего напряжения по ослабленному сечению образцов оС0 из исследуемых сталей. ^ 0 , 2 ^ С Г Со ' ^ ^ ^ 1 4 8 ° С (125 К) -» -D 9H ......... ' --------- -* -D 9 H ^ £ < П 5 ° С (158 к) --S t.30L-l St.30L-l т----------1----------1----------1----------1--------- 1----------1----------1----------1----------г Таким образом, границы вязкохрупкого перехода описываются крите рием инвариантности эффективной кинетической диаграммы усталостного разрушения - ограниченного и текущего эффективного размаха коэффи циента интенсивности напряжений, Ь К /сШ Ъ - А К в// - ■ (1) Определение критических характеристик вязкохрупкого перехода в условиях многоциклового нагружения. В настоящее время эксперимен тальное определение критического порогового эффективного размаха КИН А К /с1.ік,Т2 (нижняя граница роста усталостной макротрещины при наличии 62 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 5 Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах ее закрытия, характеристика второй критической температуры хрупкости Тсг) при пониженных температурах с помощью описанного ранее [43, 44] метода связано с незначительными трудностями (с поверхностей образца в области вершины трещины необходимо удалять изморозь палочкой, смочен ной не в этиловом спирте, а в новых продуктах нефтепереработки или жидких азоте, водороде, гелии). Кроме того, указанную характеристику можно найти экспериментально по значению порогового размаха КИН А К їЛ выпрямленной номинальной КДУР (рис. 2), а также по второй температуре хрупкости Тс2, определенной с точностью до ± 5°С по методике [16, 23] (рис. 4). Критический эффективный размах КИН потери инвариантности АК / лт е// Т эффективной КДУР к различным факторам можно определить эмпирически из сопоставления в координатах ^ й а /й И — ^ А К е/ / скорости РУТ при характеристике АК / Т , полученной при комнатной (Т = 293 К) и низкой климатической (Т = 213 К) температурах. Согласно уравнению Пари са [45], имеем г/ .іпУ чП1 _ р^/ -іпу \ П3 -е// Т ) 1 = С 3( А К е// Т ) 3 (2) / лтВ результате решения (2) относительно А К е/ т получим А К е// Д - I С (3) Особенность эффективного размаха КИ Н А К е/ / как локальной характеристики линейно-упругой механики разруш ения. Ранее [44] установлено, что эффективный размах КИН А К е/ / в цикле определяется как разность А К е/ / = А К — А К 0 и при заданном номинальном размахе КИН А К зависит от характеристики закрытия трещины АК°р . В каждом цикле нагружения (активная часть цикла) эффективный раз мах КИН А К е/ / стимулирует скорость роста длинной (больше размера зерна поликристаллического материала) усталостной трещины (макротре щины), а закрытие трещины, определяемое величиной А К 0 , сопротивля ется росту усталостной трещины. Такое свойство указанных характеристик материала наблюдается при отдельном (комплексном) воздействии различ ных факторов. Скорость роста усталостной макротрещины йа /йИ во времени (изме нение величины воздействующего фактора) зависит от эффективного раз маха КИН А К е/ / при различных факторах и записывается в координатах ^ й а /й И — ^ А К е/ / . Сопротивление усталостной макротрещины ее росту определяется характеристикой закрытия трещины А К 0 (в этом случае трещина остается неподвижной) в зависимости от номинального размаха ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2002, № 5 63 И. С. Пиняк КИН AK и может быть представлено в виде функциональной зависимости A K °1 — AK. Достоверно измеренное [43, 44] усилие Pop текущего раскрытия вер шины усталостной макротрещины позволяет точно найти эффективный размах усилия Pef в цикле, необходимого для роста трещины, т.е. размах усилия P f , определяющего освободившиеся упругие деформации, которые ушли на распространение трещины в цикле. Таким образом, эффективный размах КИН AKef в цикле определяет освободившиеся упругие деформации, ушедшие на распространение тре щины. Характеристика закрытия трещины AК 0 включает в себя остаточ ные сжимающие напряжения в вершине трещины, наблюдаемые в виде пластической зоны у вершины с пластическим потоком вдоль ее берегов (запас пластичности материала). В общем зависимость AК 0 — AK характеризует: запас пластичности материала (отображает механизм пластичности закрытия трещины); влияние механических механизмов закрытия трещины (учитывает их интегрально), скорости деформации, а также механических, структурных, физико-хими ческих факторов на сопротивление росту усталостной трещины. По указан ной зависимости можно измерять запас (исчерпываемый внешними факто рами) циклической трещиностойкости материала, что позволяет процессу разрушения протекать одинаково, независимо, к примеру, от асимметрии цикла нагружения R в границах наличия закрытия трещины [46] и низкой температуры до критического эффективного размаха КИН потери инвари антности A K f T КДУР [40] (рис. 2, 3). Верхней границей критерия (1) - невлияния различных внешних факто ров на исследуемый материал - считается наименьшая критическая харак теристика потери инвариантности A K f T КДУР, определяемая фактором, который наибольше ее понижает. В данном случае такой величиной является критический эффективный размах КИН потери инвариантности КДУР A K fP T при низких температурах (рис. 2, 3). Критерий роста усталостной макротрещины при наличии ее закрытия, A K fcl/th,R T,etc. ~ A K eff ^ A K fcl,R T,etc. [40, 42L зависит от мехаНическогО увеличения номинального размаха КИН AK, длины усталостной макро трещины (определяется КИН K = Оу[ла f (a/w )) и диапазона воздействия одного внешнего фактора. Изучение с помощью характеристики AKef причин и следствий возможного расширения критерия (1) позволит научно обосновать и учесть влияние различных факторах при изготовлении конструкционных матери алов. Исследование трещиностойкости конструкционных материалов в мак симально расширенном критерии (1) зависит только от механического уве личения номинального размаха КИН AK и длины трещины. При этом характеристика A K f T является одной из наиболее важных и описывает верхнюю границу критерия (1). 64 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 5 Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах Критерий РУТ А К fcl th R t ̂ с . ^ А К ^ ^ А К fc lr , t ,etc. определяет грани цы, в которых отсутствует влияние одного внешнего фактора в широком диапазоне его изменения. Кроме того, он указывает на нереализованные возможности эффективного размаха КИН A K f , начиная от величины Тг f.inv ч, ~ a TSА К f f т и заканчивая его верхней границей А К ̂ r t etc- В случае если эффективный размах КИН достигает A K f ^ А К fclR T,etc., то он равняется номинальному размаху КИН А К . При таком равенстве критерий А К fcl thR т,etc. ^ А К eff ^ А К fclR T,etc. теряет свой феНомеНологи ческий смысл. Конструкционный материал становится зависимым от воз действия в узком диапазоне изменения любого внешнего фактора из-за уменьшения локального сопротивления материала после достижения крити ческого эффективного размаха КИН А К f c! r t etc (пластический поток вдоль берегов трещины отсутствует, а пластическая зона у вершины трещины вносит меньший вклад в сопротивление разрушению [46]). По достижении величины А К f ci r т etc трещина открыта в каждом цикле нагружения на протяжении всего цикла. Остаточные сжимающие напряжения в вершине трещины снизились, вследствие чего уменьшилась пластичность материала. Метод текущего раскрытия вершины трещины [42-44] позволил дока зать, что значения эффективного размаха КИН А К ^р являются ограни ченными и текущими, т.е. формируют критерий количественной оценки кинетики роста усталостной трещины, который учитывает структурные свойства материала (структурно-чувствительная характеристика), его ло кальное сопротивление при воздействии различных внешних факторов, а также механическое увеличение номинального размаха КИН за счет роста усталостной трещины. Установлена [46] взаимосвязь между структурой материала и микро- и макроскоростью роста усталостной трещины при различных асимметриях R цикла нагружения с учетом того, что в зерне размером l z может образо ваться какое-то количество mz бороздок усталости с шагом S , т.е. l z = Sm z . Следовательно, использование эффективного размаха КИН А К ^ по зволит достоверно определить именно ту трещиностойкость, которая при суща данному материалу. В линейно-упругой механике разрушения он явля ется локальной характеристикой при оценке кинетики роста усталостной трещины. В ы в о д ы 1. Обоснованы и определены экспериментально, а также эмпирически А f •inv A TSкритические характеристики вязкохрупкого перехода А К ^ т и А К fd th T2 . 2. На основе данных эксперимента и теоретически (логические рас суждения о критических характеристиках вязкохрупкого перехода в хладно ломких сталях) описаны границы вязкохрупкого перехода с помощью кри ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 5 65 И. С. Пиняк терия инвариантности эффективной КДУР (ограниченного и текущего эффективного размаха КИН, AK f clth T2 < A K ej j < 3 . Установлено, что ограниченный и текущий эффективный размах КИН A K sjy является характеристикой локального критерия AK уу th т2 < A K у < _ . r, J.inv< AK ejj Tj , расширение границ которого позволит повысить трещиностой- кость материала, а также диапазон инвариантности эффективной КДУР к различным внешним факторам. Р е з ю м е На базі отриманих за багатоциклового навантаження холодноламких сталей експериментальних даних визначено критичні характеристики в’язкокрих- кого переходу. За допомогою критерію інваріантності ефективної кінетичної діаграми втомного руйнування - обмеженого і поточного ефективного роз маху коефіцієнта інтенсивності напружень (AK^ th < A K y < Ak J V ) ці характеристики описують межі існування такого явища, як в ’язкокрихкий перехід, а також визначають першу Tcl і другу Tc2 критичні температури крихкості. Показано, що визначений методом поточного розкриття вістря тріщини ефективний розмах коефіцієнта інтенсивності напружень AK у є локальною характеристикою матеріалу в лінійно-пружній механіці руйну вання. 1. И оффе А. Ф , Кирпичева М. Ф , Левит ская М. А. Проблема хрупкого разрушения // Журн. рус. физ.-хим. об-ва. - 1925. - 56, № 5. - С. 489 - 495. 2. Давиденков Н. Н. Избранные труды / Под ред. Г. С. Писаренко. Т. 1. Динамическая прочность и хрупкость металлов. - Киев: Наук. думка, 1981. - 704 с. 3. Yokobori T. Effect of strain rate of transition temperature of mild steel // J. Phys. Soc. Jap. - 1952. - 7, No. 1. - P. 44 - 57. 4. H ancock J. W. and Cowling M. J. Role of state of stress in crack-tip failure process // Metal. Sci. - 1980. - 14. - P. 293 - 304. 5. Curry D. A. A model for predicting the influence of warm prestressing and strain aging on the cleavage fracture toughness of ferritic steels // Ibid. - 1983. - 22. - P. 145 - 159. 6. Beremin F. M. Numerical modelling of warm prestressing effect using a damage function of cleavage fracture // Proc. Int. Conf. оп Fracture (ICF5). - 1981. - 2. - P. 825 - 831. 7. Касаткин Б. С. Структура и микромеханизм хрупкого разрушения стали. - Киев: Техніка, 1964. - 348 с. 8. Погодин-Алексеев Г. И. Динамическая прочность и хрупкость металлов. - М.: Машиностроение, 1966. - 392 с. 66 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 5 Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах 9. Потак Я. М . Хрупкое разрушение стали и стальных деталей. - М.: Оборониздат, 1955. - 411 с. 10. Иванова В. С., Гуревич С. В., Копъев И. М. и др. Усталость и хрупкость металлических материалов. - М.: Наука, 1968. - 215 с. 11. Chell G. G., Haigh J. R., and Vitek V. A theory of warm pres-tressing. Experimental validation and implications for elastic-plastic failure criteria // Int. J. Fract. - 1981. - 17. - P. 61 - 81. 12. Ш евандин E. М., Разов И. А. Хладноломкость и предельная пластич ность сталей в судостроении. - Л.: Судпромгиз, 1965. - 321 с. 13. Wallin K. The effect of ductile tearing on cleavage fracture probability in fracture toughness testing // Eng. Fract. Mech. - 1989. - 32, No. 4. - P. 526 - 531. 14. Разрушение металлов. - В 7 т. - М.: Мир, 1973. - Т. 6. - 496 с. 15. Н овые методы оценки сопротивления металлов хрупкому разрушению / Под ред. Ю. Н. Работнова. - М.: Мир, 1972. - 439 с. 16. Серенсен С. В., М ахутов Н. А. Определение критических температур хрупкости изделий из малоуглеродистой стали // Пробл. прочности. - 1969. - № 4. - С. 29 - 39. 17. Серенсен С. В., М ахутов Н. А. Сопротивление хрупкому разрушению элементов конструкций // Там же. - 1971. - № 4. - С. 3 - 12. 18. Красовский А. Я. Хрупкость металлов при низких температурах. - Киев: Наук. думка, 1980. - 340 с. 19. М ахут ов Н. А. Методы определения критических температур хрупкости материалов и элементов конструкций // Завод. лаб. - 1981. - 47, № 9. - С. 78 - 81. 20. Красовский А. Я., Кашталян Ю. А., Красико В. Н. Определение крити ческой температуры перехода от хрупкого к вязкому разрушению по критерию соблюдения условий плоской деформации // Там же. - 1983. - 49, № 9. - С. 71 - 74. 21. Красовский А. Я. Критическая температура хрупкости как мера тре- щиностойкости сталей // Пробл. прочности. - 1985. - № 10. - С. 89 - 95. 22. Кашталян Ю. А., Каспрук E. Н ., Тороп В. М . Определение критической температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому при испыта ниях сталей на трещиностойкость // Там же. - 1988. - № 1. - С. 7 - 1 1 . 23. Г О С Т 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механи ческих испытаний металлов. Определение характеристик трещиностой- кости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. - Введ. 01.01.1986. 24. Yan C. and M ai Y. W. Effect of constraint on ductile crack growth and ductile-to-brittle transition of a carbon steel // Int. J. Pres. Ves. & Piping. - 1998. - 73. - P. 167 - 173. 25. Renevey S. Statistical modeling of the ductile-to-brittle transition of ferritic steel // Proc. of ECF-11: Mechanisms and Mechanics of Damage and Failure / Ed. J. Petit. - 1996. - P. 791 - 796. ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2002, № 5 67 И. С. Пиняк 26. М арголин Б. 3., Костылев В. И. Прогнозирование вязкохрупкого пере хода при вязком развитии трещин в корпусных реакторных сталях // Пробл. прочности. - 1999. - № 6. - С. 5 - 22. 27. Сопротивление материалов деформированию и разрушению: В 2 т. / Под. ред. В. Т. Трощенко. - Киев: Наук. думка, 1994. - Т 2. - 702 с. 28. Писаренко Г. С., Красовский А. Я . Характеристическое расстояние как параметр структуры материала в теории разрушения // Физ.-хим. механика материалов. - 1996. - № 1. - С. 33 - 37. 29. Orovan E. Fracture and strength of solids // Rep. Prog. Phys. - 1949. - 12. - P. 185 - 232. 30. Панасюк В. В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. - Киев: Наук. думка, 1968. - 246 с. 31. Griffith A. A. The phenomena of rupture and flow in solids // Phyl. Trans. Roy. Soc. - 1920. - Ser. A. - 221, No. 1 - P. 163 - 198. 32. Ярема С. Я., Осташ О. П., Белецкий В. М. и др. Об изменении скорости роста усталостных трещин в листах из сплавов Д16А и В95А при понижении температуры // Физ.-хим. механика материалов. - 1977. - № 2. - С. 5 - 10. 33. М еханика разрушения и прочность металлов: В 4 т. / Под ред. В. В. Панасюка. - Т. 4. Усталость и циклическая трещиностойкость конст рукционных материалов. - Киев: Наук. думка, 1990. - 679 с. 34. Zheng X.-L. and Lu B.-T. Fatigue crack propagation in metals and low temperatures // Handbook of Fatigue Crack Propagation in Metallic Structures / Ed. A. Carpinteri. - Padova (Italy), 1994. - Vol. 2. - P. 1385 - 1412. 35. Katz Y., Bussiba A., and M athias H. Effect of warm prestressing on fatigue crack growth curves at low temperatures // Fatigue at Low Temperatures. ASTM STP 857. - 1985. - P. 191 - 209. 36. Abalkis P. R., Harmon M. B , Hayman E. L., et al. Low temperature and loading frequency effects on crack growth and fracture toughness of 2024 and 7475 aluminum // Ibid. - P. 257 - 273. 37. Stephens R., Fatemi A., et al. Variable-amplitude fatigue crack initiation and growth of five carbon or low-alloy cast steels at room and low climatic temperatures // Ibid. - P. 293 - 321. 38. Осташ О. П., Ж мур-Клименко В. Т. Рост усталостных трещин в метал лах при низких температурах (обзор) // Физ.-хим. механика материалов. - 1987. - № 2. - С. 17 - 29. 39. Д С Т У 2444-94. Розрахунки та випробування на м щ тсть. О т р втомг Термши та визначення. - Кт'в: Держстандарт Украши, 1994. - 71 с. 40. Пиняк И. С. Текущее значение раскрытия вершины трещины усталости как экспериментально обоснованный критерий ее роста // Пробл. прочности. - 1998. - № 1. - С. 25 - 33. 41. Котеразава Р., М ори М., М атцуи Т., Симо Д . Фрактографическое исследование распространения усталостной трещины // Теорет. основы инж. расчетов. - 1973. - № 4. - С. 7 - 18. 68 ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2002, № 5 Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах 42. Піняк I. С. Вплив явища закриття вістря втомної тріщини на асиметрію циклу навантаження та пороги тріщиностійкості // Пробл. прочности. - 2000. - № 6. - С. 106 - 114. 43. П іняк I. С. Методологія вивчення закономірностей поширення втомної тріщини за критерієм росту - поточним і обмеженим ефективним роз махом КІН // Вибрации в технике и технологиях. - 2001. - № 5. - С. 50 - 53. 44. Красовсъкий А. Я ., П іняк I. С. Метод поточного розкриття вістря трі щини в умовах циклічного навантаження // Пробл. прочности. - 2002. - № 4. - С. 12 - 27. 45. Paris P. C. and Erdogan F. A. A critical analysis of crack propagation laws // Trans. ASME. - 1963. - Ser. D. - 85, No. 3 - P. 528 - 536. 46. П иняк И. С. Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины // Пробл. прочности. - 2002. - № 1. - С. 88 - 101. Поступила 30. 10. 2000 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 5 69

Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении

Репозитарії

Схожі ресурси