4.4. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

В данной главе рассмотрены методы прогнозирования трещиностойкости металла и кинетики трещин при циклическом, статическом и динамическом нагружениях, базирующиеся на использовании локальных критериев разрушения и уравнениях, описывающих НДС у вершины трещины с учетом структурированности поликристаллического материала, а также на применении концепций и новых параметров механики разрушения.

При разработке моделей прогнозирования трещиностойкости и развития трещин необходимо было сформулировать условие накопления повреждений в градиентных полях напряжений и деформаций. Было показано, что повреждения накапливаются, если размер необратимой упругопластической зоны статическом нагружении) или обратимой упругопластической зоны (при циклическом нагружении) больше структурного элемента, размер которого во многих случаях можно принять равным диаметру зерна. В противном случае, когда размер упругопластической зоны меньше размера структурного элемента, материал практически не повреждается и локальные критерии разрушения, сформулированные в терминах йеханики сплошной деформируемой среды, не дают адекватных реальным ситуациям прогнозов.

Выполненные расчетные исследования кинетики НДС у вершины трещины показали, что при малых нагрузках решения, полученные при рассмотрении поликристаллического материала как бесструктурного континуума, значительно отличаются от результатов расчетов, выполненных с учетом его структурированности. Циклическое деформирование материала в условиях

ОНС, реализующегося у вершины трещины, имеет ряд отличительных особенностей от случаев одноосного или плоского напряженного состояния. В частности, оказывается, шаже. для циклически стабильного материала размахи пластической и упругой деформации в цикле зависят не только от размаха нагрузки но и от ее максимального значения.

Развитие усталостных трещин. Выявленные закономерности кинетики НДС у вершины трещины в сочетании со сформулированным условием накопления повреждений и деформационно-силовым уравнением малоциклового разрушения (см. раздел 2.3) позволили разработать модель развития усталостной трещины, которая дает возможность прогнозировать СРТ при произвольных асимметрии нагружения, и соотношениях II рода без введения каких-либо эмпирических параметров и: функций. Условие отсутствия накопления повреждений в ближайшем к вершине трещины структурном элементе можно терпретировать как условие нераспространения усталостной трещины. Формулировка этого условия в терминах: КИН дала весьма продуктивные результаты: прогноз зависимости. от асимметрии нагружения, а также прогноз кривой отвечающей отсутствию роста усталостной трещины.

Использование ранее сформулированных представлений о влиянии деформационной субструктуры материала на крити-; ческое напряжение хрупкого разрушения позволило дать физическую интерпретацию явления нестабильного (скачкообразного) роста усталостной трещины и соответственно разработать метод прогнозирования параметра Установлено, что скачкообразный рост усталостной трещины наступает в том случае, если микротрещины, нестабильно развивающиеся у ее вершины, не тормозятся деформационной субструктурой материала.

Статическая трещи нестойкость. Страгивание макротрещицы как при хрупком, так и при вязком разрушениях, происходит по механизму встречного роста, когда зародившиеся у вершины макротрещины, микротрещины (при хрупком разрушении) или микропоры (при вязком разрушении) объединяются с ней и тем самым осуществляется развитие трещины.

Анализ известных моделей, прогнозирующих статическую трещиностойкость, по критерию страгивания трещины показал, что они во многих случаях дают результаты, не адекватные экспериментальным данным. Причиной такого несоответствия, в частности, является использование критерия хрупкого разрушения в виде (2.1). Использование критериев хрупкого и вязкого разрушений в виде (2.11) и (2.63) в сочетании с данными о НДС у вершины трещины, полученными при решении упругопластической задачи в геометрически нелинейной постановке, позволяет получить адекватный прогноз трещиностойкости, начиная от низких температур, где реализуется хрупкое разрушение, и кончая высокими, разрушение при которых является

вязким. Температура смены механизма разрушения в данном случае определяется при выполнении условий разрушения одновременно, по двум критериям. При раньше выполняется условие хрупкого разрушения, а при вязкого. Адекватный прогноз влияния предварительной пластической деформации на трещиностойкость (при низких температурах) может быть проведен только с использованием критерия хрупкого разрушения в виде (2.11); прогноз, получаемый на основании: известных моделей типа Ритчи-Нотта-Райса, приводит к результатам, прямо противоположным экспериментальным данным.

Субкритическое и динамическое развитие трещины. Развитие трещины при хрупком разрушении в отличие от. ее старта, по всей вероятности, не происходит по механизму встречного роста, что связано с непосредственным развитием магистральной трещины. Данное обстоятельство позволяет напрямую (без анализа НДС у вершины трещины) использовать концепцию механики разрушения, сводящуюся к решению уравнения Нестабильное (динамическое) развитие хрупкой трещины как при статическом, так и при динамическом нагружениях достаточно хорошо моделируется с помощью метода, рассмотренного в подразделе 4.3.1 и ориентированного на МКЭ. В этом методе используются специальные КЭ, принадлежащие полости трещины, модуль упругости которых зависит от знака нормальных к траектории трещины напряжений; увеличение длины трещины моделируется снижением во времени модуля упругости КЭ от уровня, присущего рассматриваемому материалу, до величины, близкой к нулю. Введение специальных КЭ позволяет учесть возможное контактирование берегов трещины при ее развитии в неоднородных полях напряжений, а также нивелировать влияние дискретности среды, обусловленной аппроксимацией КЭ, на процесс непрерывного развития трещины.

Прогноз субкритического развития трещины при вязком разрушении во многих случаях, как известно, проводится на основании концепции -кривых. Данная концепция весьма формальна и не отражает физической сущности рассматриваемого явления. Так, увеличение сопротивления росту трещины по мере ее развития, выраженное зависимостью связано с неоднозначностью описания НДС у вершины движущейся трещины с помощью -интеграла; реально сопротивление разрушению материала у вершины растущей трещины (критическая деформация остается постоянным. Кроме того, -кривые не инвариантны к схеме нагружения и типу образца, что ставит под сомнение их использование для анализа предельных состояний элементов конструкций с трещинами.

Вязкое развитие трещины в отличие от хрупкого можно представить как непрерывное зарождение вязкого разрушения

у вершины движущейся трещины. Поэтому моделирование роста вязкой трещины заключается в поддержании у вершины движущейся трещины постоянного НДС, при котором, В ближайшем к вершине трещины структурном элементе реализуется элементарный акт разрушения. Указанное моделирование можно реализовать с помощью так называемого -интеграла, применение которого является реальной альтернативой концепции -кривых. Процедура вычисления -интеграла практически совпадает с расчетом -интеграла, но при этом контур; интегрирования стягивается к вершине движущейся трещины (интегрирование ведется в подвижной системе координат). Такая процедура позволяет практически исключить при интегрировании область разгрузки и рассматривать только зону, в которой материал монотонно нагружается. Поэтому -интеграл однозначно контролирует НДС у вершины движущейся трещины как при квазистатическом, так и при динамическом нагружениях. Условие постоянства НДС, отвечающего разрушению, структурного элемента (достижению в структурном элементе критической деформации) у вершины вязко растущей трещины, формулируемое в терминах -интеграла, выражается уравнением Это уравнение позволяет прогнозировать предельную несущую способность конструкции по критерию нестабильного роста трещины при вязком разрушении, а также описывать развитие трещины при динамическом нагружении.