2.1.4.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Опыты по определению условий зарождения хрупкого разрушения были выполнены на стали в исходном состоянии поставки и в предварительно деформированном состоянии.

В сериях предварительных экспериментов на гладких цилиндрических образцах в условиях растяжения в диапазоне температур от —268,8 до +20 °С для стали в исходном состоянии получены следующие характеристики: предел текучести предел прочности, равномерное удлинение, «истинное» разрушающее напряжение предельная деформация Такие же характеристики при получены для предварительно деформированного состояния стали. По результатам экспериментов была построена зависимость критического напряжения хрупкого разрушения (найденного с учетом

многоосности напряженного состояния в шейке образца по методу Бриджмена [15]) от деформации. На рис. 2.10, в приведены зависимость для исходного состояния стали, а также значения величины для предварительно деформированной стали. Полученные при испытании гладких образцов характеристики использовали для вычисления коэффициентов в зависимости , описывающей диаграмму деформирования.

Таблица 2.3. (см. скан) Значения параметров диаграмм деформирования стали в исходном состоянии и после предварительной деформации

Здесь интенсивность напряжений равняется максимальному главному напряжению действующему в крайнем волокне шейки образца, определяли в предположении однородности деформированного состояния по шейке образца.

Основная серия испытаний выполнена на цилиндрических образцах с кольцевым надрезом (рис. 2.20) следующих размеров: длина рабочей части Деформированное состояние стали для таких испытаний получали растяжением при комнатной температуре гладких образцов диаметром до Затем из этих образцов вырезали образцы с надрезом (рис. 2.20). Образцы полировали электролитическим методом во избежание инициирования хрупкого разрушения от поверхностных дефектов. Деформирование образцов с надрезом осуществляли растяжением при для стали в исходном состоянии и при для стали в деформированном состоянии. Определяли максимальную нагрузку и нагрузку в момент разрыва образца. Диаметр образца до и после испытаний измеряли на микроскопе анализировали с помощью КЭ [43, 77, 102] путем решения упругопластической задачи в геометрически нелинейной постановке на основе теории течения, условия текучести Мизеса, модели трансляционно-изотропного упрочнения [124]. Образец

аппроксимировали (ввиду симметрии рассматривали 1/2 часть образца); размер КЭ в надрезанном, сечении составлял примерно При расчете использовалй диаграммы деформирования, соответствующие различным - температурам (табл. 2.3).

При численном моделировании нагружение образцов осуществляли перемещением захватного сечения образца: от этапа к этапу задавалось малое приращение перемещений.

Таблица 2.4. (см. скан) Экспериментальные и расчетные параметры разрушения "цилиндрических образцов с надрезам

Такое нагружение достаточно близко воспроизводило реальное нагружение образца в испытательной машине. При этом анализировали нагрузку, действующую на образец. Учет геометрической нелинейности позволил отразить потерю пластической устойчивости образцов, происходящую для температур раньше момента хрупкого разрушения. При расчете нагружение по перемещениям прекращали при достижении отношением экспериментально полученной величины. В случае отсутствия потери пластической устойчивости до момента хрупкого разрушения расчет прекращали при В табл. 2.4 приведены экспериментальные и расчетные значения а также средней деформации вычисленной по формуле где сужение в нетто-сечении образца, полученное из эксперимента и из расчета. Кроме того, даны средние напряжения в нетто-сечении образца с учетом его сужения в процессе деформирования до разрушения. Приведенные в табл. 2.4 экспериментальные значения указанных характеристик являются средними по семи—десяти образцам, испытанным: при каждой температуре. Как видно из табл. 2.4, соответствие экспериментальных и расчетных данных хорошее.

Хрупкий характер разрушения образцов с надрезом при всех температурах был подтвержден фрактографическими

исследованиями на растровом электронном микроскопе. Выполненный анализ изломов показал, что независимо от величины предшествующей деформации разрушение происходило по механизму скола и микроскола.

Следует отметить, что принятое при расчете моделирование нагружения образцов дает более корректное значение деформаций по сравнению с традиционным моделированием нагружения по силе, используемым в работе [2].

Рис. 2.21. (см. скан) Распределение главных напряжений интенсивности пластической деформации и величины в надрезанном сечении образца из стали в исходном состоянии в момент разрушения при температурах: диаметр образца в момент разрыва)

На рис. 2.21 и 2.22 показаны распределения максимальных главных напряжений и интенсивности пластической деформации в надрезанном сечении образца, отвечающие разрушающей нагрузке, для образцов из стали в исходном и деформированном состояниях. В соответствии с п. 3 изложеннного выше алгоритма по пересечению кривых было

определено значение деформации Отметим, что при растяжении образцов с надрезом реализуется нагружение, близкое к простому, поэтому можно считать и, следовательно, в качестве зависимости использовать зависимость приведенную на рис. 2.10.

Рис. 2.22. (см. скан) Распределение главных напряжений интенсивности пластической деформации и величины в надрезанном сечении образца из стали в деформированном состоянии в момент разрушения при температурах:

На рис. 2.21 и 2.22 полученным значениям величины отвечают точки пересечения кривых с пунктирными линиями.

Представленная на рис. 2.21 и 2.22 информация в сочетании с данными по трещиностойкости при какой-либо одной температуре позволяет определить параметры в диапазоне температур от —196 до -60 °С. Необходимый расчет НДС в структурном элементе у вершины трещины проводили на основании зависимостей, приведенных в подразделе 4.2.2.

Для стали в исходном состоянии по экспериментальному значению трещиностойкости при [75, 81] на основании уравнений, приведенных в 4.2.2, было получено в ближайшем к вершине трещины

структурном элементе Размер структурного элемента принимали равным Коэффициенты в степенной апроксимации при расчете НДС у вершины трещины вычисляли на основании данных табл. 2.3. В соответствии с алгоритмом корректные значёния при определяли из системы уравнений (2.44). В результате решения получены и установлено, что в данных условиях испытаний наибольшее значение функции достигается при

Значения параметра при других температурах для стали в исходном состоянии, вычисленные из второго уравнения системы (2.44) при известной величине составили: Характер изменения функции при различных температурах показан на рис. 2.21. Следует отметить, что для образцов данной геометрии зависимость в интервале является монотонно возрастающей, однако для образцов с более острым концентратором возможен вариант, когда функция в указанном диапазоне деформаций будет иметь максимум, и тогда в соответствии с методикой необходимо решать систему уравнений (2.43).

Рассмотрим результаты определения параметров в условии зарождения разрушения, которые обозначим для стали после предварительной деформации растяжением на Как и для стали в исходном состоянии, величины можно рассчитать на основании данных рис. 2.22 и значения трещиностойкости деформированного металла при какой-либо одной температуре. Критические значения коэффициентов интенсивности напряжений для стали в деформированном состоянии получены только при низких температурах [29], и эти данные будут использованы ниже для сравнения с прогнозируемой величиной Однако известно, что в области хрупкого разрушения при повышении температуры влияние предварительной деформации порядка нескольких процентов на существенно уменьшается. Так, для стали которая является сталью одного класса со сталью при значения трещиностойкости для исходного и деформированного металла практически совпадают. Этот факт позволяет в первом приближении принять для стали после предварительной деформации при Величина

для стали в исходномсостоянии взята из экспериментальных данных [189]. По. результатам расчета НДС для образца с трещиной, выполненного для принятого значения по уравнениям, приведенным в подразделе 4.2.2, и НДС для разца с надрезом (рис. 2.22,6) при путем решения системы уравнений (2.44) было получено:

Таблица 2.5. (см. скан) Значения параметров для стали в исходном и деформированном состояниях

Значения при рассчитанные аналогично вычислению для исходного состояния стали, составили:

Значения параметров для стали в исходном и деформированном состояниях представлены в табл. 2.5. Анализ полученных результатов позволяет сделать некоторые выводы. Во-первых, с увеличением температуры коэффициенты уменьшаются, причем в области низких температур очень резко: при увеличении температуры от —196 До —140°С величина падает болеё чем в три раза, однако при она практически не изменяется. Параметр пгтв, как отмечалось ранее, можно интерпретировать как коэффициент концентрации напряжений в голове дислокационного скопления. Уменьшение с увеличением температуры деформирования можно рассматривать как следствие затупления дислокационного скопления (увеличения при увеличении обусловленное процессами поперечного скольжения и переползания дислокаций. При таком изменении

геометрии скоплений для создания требуемой концентрации напря жений необходимо увеличение эффективных напряжений и, следовательно, пластической деформации. Для образцов с надрезом, как видно по кривым на рис. 2.21 и 2.22, в месте зарождения хрупкого разрушения, соответствующего положению пунктирной линии, действительно можно наблюдать рост пластической деформаций при увеличении температуры.

Полученные значения параметра без конкретизации механизма зарождения микротрещин интерпретировать сложно. Отметим лишь, что они одного порядка с аналогичными величинами, используемыми для описания процессов микроповреждения в сталях. Так, по данным работы [275], типичные значения в модели образования микронесплошностей около частиц в сфероидизированной стали составляют в работе [322] приводится расчетное значение напряжения, необходимого для растрескивания карбидов в стали равное С другой стороны, верхняя оценка значений параметра в качестве которой можно принять теоретическую прочность на разрыв для решетки дает величину порядка [121].

Предварительная пластическая деформация приводит к довольно существенному уменьшению величины и слабее влияет на коэффициент Слабая зависимость от достаточно легко объяснима. Дело в том, что переползание дислокаций и поперечное скольжение, определяющие являются существенно термоактивированными процессами и в гораздо меньшей степени чувствительны к дислокационной структуре материала, возникающей при его пластическом деформировании. Что касается влияния предварительной деформации на то здесь необходимо дать некоторые пояснения. Полученный результат по снижению величины от предварительной деформаций сначала кажется противоречивым, так как параметр имеет смысл прочности матрицы или границы соединения матрицы с включением, которая не должна меняться при деформировании. Указанный вывод действительно имел бы место, если бы мы рассматривали локальную прочность материала в масштабе порядка длины зародышевой трещины. В зависимости же (2.7) под понимается некоторая осредненная не меньше, чем в масштабе зерна, интегральная характеристика, отражающая сопротивление материала зарождению микротрещины. Поэтому при наличии предварительного деформирования материала необходимо учитывать возникающие остаточные микронапряжения, В этом случае в первом приближении параметр можно определить, по зависимости

где локальная прочность матрицы или границы соединения матрица—включение; микронапряжения, возникающие

в материале при деформировании и монотонно возрастающие с ростом Параметр также может зависеть от пластической деформации, однако природа этой зависимости совершенно иная, чем параметра При зарождении микротрещин на включениях величина может увеличиться с ростом предварительной деформации. Дело в том, что в материале могут содержаться включения, имеющие разную прочность связи с матрицей.

В процессе предварительного деформирования на наиболее слабых включениях зародятся микротрещины, но, поскольку условия их распространения не выполнены произойдет пластическое притупление их вершин и они превратятся в поры. Впоследствии эти микротрещины уже не смогут быть инициаторами хрупкого разрушения. Таким образом, при последующем испытании образцов в области низких температур зарождение микротрещины будет происходить на более прочных включениях, т. е. повысится относительно исходного состояния материала, где хрупкое разрушение инициировалось бы от микротрещин, зародившихся на «слабых» включениях. Следовательно, есть возрастающая функция. Как видно из выражения (2.45), функция может иметь весьма различный характер [убывающий, возрастающий, имеющий максимумы или минимумы] в зависимости от темпа роста с увеличением

В случае зарождения микротрещин по дислокационному механизму что приводит к однозначному снижению от предварительной деформации [см. зависимость (2.45)].

Таким образом, полученное для стали снижение при является частным случаем и не отражает общей закономерности данного явления.