2.1.1.2. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОМУ ОПИСАНИЮ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

Одним из первых условие хрупкого разрушения сформулировал Людвиг в 1909 г. [101]. Он предположил, что хрупкое разрушение наступает от нормальных напряжений,

достигающих критического уровня. Переход от вязкого разрушения: к хрупкому при увеличении скорости нагружения Людвиг связывал с увеличением сопротивления материала пластическому деформированию (повышению деформирующего напряжения) и, как следствие, с достижением критического напряжения при меньшей пластичности металла.

Объяснение явления хладноломкости впервые было дано А. Ф. Иоффе в 1924 г. на основании опытов с каменной солью [101].

Рис. 2.5. Феноменологические схемы перехода из хрупкого состояния в вязкое: в — соответственно схемы Иоффе [249], Давиденкова [49], Фридмана [249]: пути нагружения

Согласно схеме Иоффе, критическая температура хрупкости определяется точкой пересечения двух кривых: критического напряжения хрупкого разрушения практически не зависимого от температуры, и температурно-зависимой характеристики — предела текучести Из рис. 2.5, а видно, что при: металл разрушится хрупко, а при перед разрушением он будет пластически деформироваться.

Применение и развитие схемы Иоффе для металлов принадлежит Н. Н. Давиденкову [49]. Он вводит температурно-независимую характеристику сопротивления отрыву В то же время считается, что существенно зависит от пластической деформации. Давиденков отмечает, что у стали существуют два механизма разрушения (рис. Хрупкое разрушение происходит при пересечении кривой сопротивления отрыву которая возрастает с ростом пластической деформации. В случае, если кривая нагружения достигнет сначала кривой вязкого отрыва произойдет вязкое разрушение.

Я. Б. Фридман [249] обобщает диаграмму Давиденкова на случай сложного напряженного состояния (рис. 2.5,в), жесткость которого характеризуется отношением соответственно наибольшие нормальные и касательные напряжения). При нагружении по лучу 1 металл течет при достижении предела текучести на сдвиг и затем вязко разрушается при

достижении критического значения касательных напряжений, которые в отличие от схемы Давиденкова кривая не зависят от пластической деформации. Если же тот же материал нагружать по лучу 2 (рис. 2.5,в), то по достижении произойдет хрупкое разрушение. Наклонный участок обусловлен влиянием пластической деформации на К сожалению, схема Фридмана не позволяет прогнозировать хрупкое разрушение при условии, когда не постоянно на этапе нагружения. Этот недостаток становится очевидным при рассмотрении нагружения по кривым 3 и 3 (рис. 2.5,в). Ясно, что в данном случае пластические деформации в момент пересечения кривой могут значительно различаться. Следовательно, для путей нагружения 3 и 3 должна различаться величина зависящая от предшествующей пластической деформации, что не вытекает из рассматриваемой схемы.

Применение концепции к анализу критического состояния надрезанных цилиндрических образцов было выполнено Г. В. Ужиком [237, 238], который считал, что хрупкое разрушение может происходить по двум схемам: первая — хрупкий отрыв без пластического деформирования происходит при условиях где - соответственно сопротивление отрыву недеформированного металла, интенсивность напряжений и наибольшее главное напряжение; вторая — хрупкий отрыв после пластической деформации происходит при условиях где -сопротивление отрыву после пластической деформации, увеличивающееся с возрастанием степени наклепа по неизвестной кривой, зависящей от характера напряженного состояния в процессе деформирования. дальнейших расчетах Ужик пользуется только первым условием хрупкого разрушения и приходит к выводу о зависимости от температуры. Однако последующие исследования показали, что этот результат связан с погрешностями расчета напряженного состояния надрезанных образцов.

В работах А. В. Степанова [223], А. X. Коттрелла и А. Н. Стро [105, 247, 249] показано, что хрупкому разрушению всегда предшествует некоторая пластическая деформация. Учитывая это обстоятельство, Давиденков [49] вводит дополнительное условие в свою схему: чтобы хрупкое разрушение отрывом произошло, необходимо достижение касательными напряжениями некоторого критического уровня.

Существенным шагом в развитии критериев хрупкого разрушения являются исследования Копельмана [101], который записывает критерий хрупкого разрушения для случая объемного напряженного состояния в виде двух условий:

Здесь в явном виде введено требование пластического деформирования материала для обеспечения реализации хрупкого

разрушения. Физическая суть сформулированного критерия заключается в следующем. Хрупкое разрушение материала обусловлено нестабильным развитием гриффитсовских микротрещин по плоскостям спайности ОЦК металлов (скол, микроскол). Имеющиеся в металле исходные микротрещины не могут являться инициаторами хрупкого разрушения, так как у их вершин еще до нагружения прошла пластическая релаксация — притупление микротрещин. При нагружении исходные микротрещины будут пластически расти и превращаться в поры. Следовательно, для реализации хрупкого разрушения необходимо наличие при нагружении острых микротрещин. Если принять, что пластическое деформирование, начиная с самых ранних стадий, обусловливает инициацию микротрещин (естественно, острых, что следует из механизмов зарождения микротрещин), то для реализации хрупкого разрушения помимо условия обеспечивающего развитие микротрещин, необходимо выполнение условия

В работе [101] впервые применительно к металлам экспериментально обоснована инвариантность к температуре и; к жесткости напряженного состояния: в области низких и умеренных температур является функцией только пластической, деформации.

Кроме феноменологических подходов к проблеме хрупкого, разрушения в настоящее время интенсивно развиваются исследования по анализу предельного состояния кристаллических твердых тел на основе физических механизмов образования, роста и объединения микротрещин. Разработаны дислокационные модели зарождения и подрастания микротрещины [4, 24, 25,, 106, 199, 230, 247], накоплен значительный материал по изучению закономерностей образования и роста микротрещин в различных структурах [8, 22, 31, 113, 183, 213, 359, 375, 381], подробно изучены макроскопические характеристики разрушения, в том числе зависимости истинного разрушающего напряжения от разных факторов, таких, как диаметр зерна, температура и т. д. [6, 101, 107—109, 121, 149-151, 170, 191, 199, 222, 387, 390, 410, 429]. Как отмечалось выше, при формулировке критериев разрушения наиболее целесообразным представляется подход, интерпретирующий механические макроскопические характеристики исходя из структурных процессов, контролирующих разрушение в тех или иных условиях.

Среди данного направления можно отметить работы [149— 151], развивающие подход, предложенный Копельманом, в свете анализа физических процессов, сопровождающих хрупкое разрушение материала.

В работах [149—151] получены простые зависимости минимального разрушающего напряжения при хрупком разрушении сколом от параметров исходной структуры материала (диаметр зерна, размер цементитной прослойки и др.).

Вместе с тем такой вопрос, как зависимость от пластического деформирования, не получил достаточно удовлетворительной структурной трактовки, а также количественного описания.

Использование критерия хрупкого разрушения в виде (2.1) во многих случаях позволяет прогнозировать несущую способность различных конструкционных элементов; в частности, результаты расчета по условию (2.1) весьма удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным при испытании образцов с концентраторами [101] в случае реализации довольно больших пластических деформаций по достижении условия где интенсивность пластической деформации. Однако применение критерия хрупкого разрушения в виде (2.1) для прогнозирования условий разрушения образцов с острыми концентраторами или трещинами связано со значительными трудностями. В частности, моделирование температурной зависимости критического коэффициента интенсивности напряжений на основе условия (2.1), как будет показано в подразделе 4.2, не позволяет адекватно описать экспериментальную кривую. Указанные обстоятельства приводят к необходимости дополнительного анализа условий хрупкого разрушения. Такой анализ на основе физических процессов, контролирующих хрупкое разрушение материала, представленный ниже, позволил дать новую формулировку необходимого условия хрупкого разрушения — условия зарождения микротрещин скола — и предложить физическую интерпретацию зависимости критического напряжения хрупкого разрушения от пластической деформации [75, 81, 82, 127, 131].