Экспериментальное закономерностей разрушения при быстром распространении и ветвлении трещин 01. 02. 06 «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры» 01. 02. 04 «Механика деформируемого твердого (стр. 3 из 5)
Для определения σT и σB были проведены испытания на растяжение плоских образцов из металла сосудов. Экспериментальные разрушающие напряжения sрэ определялись из диаграммы растяжения образцов по значениям относительных окружных деформаций εр при разрушении сосудов. Вид регрессионного уравнения для вычисления
определялся из сравнения экспериментально полученных значений разрушающих напряжений sрэ с расчетными значениями sр. Наилучшее совпадение между sрэ и sр (отклонение не превышает 13 %) было достигнуто при использовании регрессионного уравнения, предложенного Г.Ханом, в виде: 
.Закономерности разрушения пластин из ПММА при быстром распространении и ветвлении трещин. Были проведены две серии испытаний по 6 пластин при температурах +200 и -400С (рис. 4). Экспериментальные результаты по исследованию макроскопических закономерностей разрушения ПММА при быстром распространении и ветвлении трещин приведены в табл. 1.
а) б)
Рис. 4. Пластины ПММА после разрушения при температурах +20 0С (а) и -40 0С (б)
Таблица 1. Экспериментальные результаты по исследованию разрушения ПММА
| Температура, °C | sр, МПа | Режим распространения трещины | ν, мм | L, мм | Dmax, мм |
| +20 | 5–7 | по прямолинейной траектории | – | – | – |
| –40 | 12,9 | с искривлением траектории | – | – | 0,6 |
| 13,5 | – | – | 1,2 | ||
| 15,6 | с микроветвлением | 19 | – | 1,4 | |
| 17,4 | 18 | – | 1,4 | ||
| 21,2 | с ветвлением | 15 | 30 | 1,8 | |
| 27,8 | 9 | 17 | 1,6–2,0 |
Обозначения: ν и L – расстояния от надреза до начала формирования первой микроветви и до точки ветвления трещины, соответственно; Dmax – максимальный поперечный размер зоны разрушения
При 20 0C трещины распространяются прямолинейно в плоскости, перпендикулярной направлению максимальных растягивающих напряжений; номинальные разрушающие напряжения sр составляли 5–7 МПа.
При –40 0C разрушение происходит при более высоких напряжениях, и наблюдаются следующие закономерности разрушения:
- режим распространения трещин зависит от уровня sр: при относительно низких значениях sр=12-13 МПа трещина распространяется с искривлением траектории без образования микроветвей; при повышении уровня sр формируются микроветви; при sр>17 МПа наблюдается разделение трещины на две ветви, при этом процесс разрушения сопровождается формированием микроветвей;
- расстояния от надреза до начала формирования первой микроветви ν и до точки ветвления трещины L зависят от sр: чем выше sр, тем ближе к надрезу формируются микроветви и уменьшается L.
Закономерности разрушения сосудов давления из стали 45 при быстром распространении и ветвлении трещин. Натурным испытаниям были подвергнуты сосуды давления с надрезами различной длины. Вид сосуда после разрушения приведен на рис. 5. Распространение трещины во всех случаях инициировалось от надреза. По показаниям тензодатчиков поперечная деформация развивалась в упругой и пластической областях. Продольная деформация оставалась в пределах упругой области. По показаниям термопар усредненные значения температур составляли: наружного воздуха - –16 0С, стенок сосудов в момент разрушения - –5 0…–6 0С, внутри сосуда в момент разрушения - –3 0…–4 0С, что сравнимо с условиями эксплуатации подземных магистральных трубопроводов в криолитозоне.Экспериментальные результаты по исследованию макроскопических закономерностей разрушения стали 45 при быстром распространении и ветвлении трещин приведены в табл. 2 и на рис. 6. Видно, что в этом случае наблюдаются те же закономерности разрушения, что и при испытаниях плоских образцов из модельного материала:
- режим распространения трещин в сосудах зависит от уровня номинального разрушающего напряжения sр: при sр<422 МПа трещина распространяется прямолинейно, без ветвления; при sр>444 МПа наблюдается разделение трещины на две ветви. Зависимость sр от длины надреза l приведена на рис. 6, а;
- расстояние от надреза до точки ветвления трещины L зависят sр: с повышением sр уменьшается L (рис. 6, б).
Таблица 2. Экспериментальные результаты по исследованию разрушения стали Ст45
| № | l, мм | εр, % | Pр, МПа | sр, МПа | Режим распространения трещины | L, мм |
| 1 | 50 | 1,38 | 51 | 496 | C искривлением траектории и ветвлением в обе стороны от надреза | В нижней части сосуда – 3 мм, в верхней части – 40 мм |
| 2 | 60 | 1,09 | 38 | 473 | C искривлением траектории и с ветвлением в нижней части сосуда | 75 |
| 3 | 70 | 0,43 | 31 | 444 | C искривлением траектории и с ветвлением в нижней части сосуда | 140 |
| 4 | 90 | 0,22 | 23 | 422 | По прямолинейной траектории | - |
Обозначения: εр – относительная окружная деформация при разрушении, Pр - разрушающее давление
а) б)
Рис. 6. Зависимости sр от длины надреза l (а) и расстояния от надреза до точки ветвления трещины L (б)
Процесс разрушения пластин из ПММА и сосудов из стали 45 с ветвлением трещин сопровождается формированием микроветвей (боковых ветвей) как до, так и после ветвления основной трещины. Микроветви занимают часть толшины образца и имеют клиновидную форму, острие клина выходит на боковую поверхность образца. Клиновидная форма микроветви формируется из-за реализации плоского напряженного состояния при выходе микроветви на свободную поверхность.
С началом формирования микроветвей траектория трещины отклоняется от прямолинейной, микроветви длиной λ составляют с основной трещиной углы a. Значения a и λ для ПММА равны a = 15 – 35° и λ = 2 –30 мм, а для стали 45 – a = 8 – 10°, λ = 2 – 130 мм.
Когда микроветвь занимает всю ширину пластины, образуются две равноправные ветви. Обе ветви расходятся, образуя между собой угол β, который лежит в диапазоне значений β = 23 – 52° и β = 40 – 60° для ПММА и стали, соответственно. Видно, что для модельного материала a и β входят в один диапазон значений, а для конструкционного материала углы ветвления значительно превосходят углы микроветвления, что объясняется различием в деформационных свойствах исследованных материалов.
Таким образом, экспериментально установлены общие для исследованных материалов макроскопические закономерности разрушения: ветвление трещины происходит при критическом уровне номинального разрушающего напряжения s* и ширине ветви, равной толщине пластины или оболочки; расстояние от надреза до точки ветвления трещины уменьшается с повышением s*.
Четвертая глава посвящена исследованию эволюции зоны процесса трещинообразования. Проведено фрактографическое исследование поверхностей разрушения материалов по пути распространения трещины с использованием растрового электронного микроскопа XL-20 Philips в режиме вторичных электронов.