книги / Хрупкость металлов при низких температурах
..pdfА К А Д Е М И Я Н А У К У К Р А И Н С К О Й ССР
А. Я. КРАСОВСКИЙ
ХРУПКОСТЬ
МЕТАЛЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
К И Е В |
«Н А У К О В А |
Д У М К А » |
1 980 |
АКАДЕМИЯ
НАУК УКРАИНСКОЙ ССР
ИНСТИТУТ
ПРОБЛЕМ
ПРОЧНОСТИ
П P О Г P E G G
Хрупкость металлов при низких темпера турах / Красовский А. Я.— Киев : Наук, дум
ка, 1980.— 340 с.
В монографии с позиций физики и механи ки разрушения рассмотрены явления хрупкого и усталостного разрушения металлов при низких температурах. Дан анализ напряженно-дефор мированного состояния материала в вершине трещины при отсутствии и наличии пластической зоны и связанных с этим макроскопических кри териев разрушения. На основе современных до стижений физики твердого тела анализируются процессы развития пластического течения в вер шине трещины и микроскопические критерии разрушения металлов, а также процессы рас пространения трещин усталости.
Рассчитана на научных и инженерно-техни ческих работников, интересующихся проблемой хрупкости и усталости металлов.
Ил. 187. Табл. 23. Библиогр.: с. 313—336 (503 назв.).
Ответственный редактор
Г. С. П и с а р е п к о
Рецензенты
В. Т. Т р о щ е н к о , В, И. Т р у ф я к о в
Редакция технической литературы
■30106-202 К М221(04)-80 357.80. 2105000000
(С ) Издательство
«Наукова думка», 1980
ПРЕДИСЛОВИЕ
Согласно установившимся представлениям, явле ние хрупкости металлов неразрывно связано с неизбежностью существования или возникно вения в них в процессе нагружения трещин. При этом в самом общем случае процесс хрупкого раз рушения принято разделять на три стадии: saрождение субмикроскопических трещин, подрас тание их до критических размеров, катастрофи ческий рост одной из трещин, приводящий к полному разрушению образца или детали. В за висимости от конкретной ситуации одна из двух или обе первые стадии могут отсутствовать (если в тело до его пагружепия возникли трещины до статочной величины), но окончательный акт хруп кого разрушения всегда связан с катастрофиче ским ростом трещин. Поэтому проблема предель ного' состояния тел с трещинами приобретает самостоятельное значение. Можно, например, представить себе некоторый атомный механизм зарождения трещины в весьма хрупком материа ле, сразу приводящий к возникновению в теле трещины критического размера. Прп этом вто рая стадия разрушения будет исключена, а тре тья наступит непосредственно за первой. Однако и в этом случае проблема критической длины трещины остается ключевой в теории хрупкого разрушения, поскольку данный параметр яв ляется единственным критерием, способным од нозначно характеризовать эффективность того или иного механизма зарождения трещин.
В результате интенсивного изучения пробле мы хрупкости металлов установлено, что во всей совокупности возможных условий нагружения металлы нельзя отнести к идеально хрупким
материалам. Их разрушение всегда сопровождается пластической деформаци ей, которая играет двоякую роль: как начало, стимулирующее зарождение трсщпп и тем самым облегчающее процесс'разрушенпя, и как мощный фактор релаксации напряжений в вершине трещины, способный существенно снизить аффект концентрации напряжений и, следовательно, препятствующий раз рушению. При такой ситуации вопрос о критической длине трещины при неизменной нагрузке или о критической нагрузке при неизменной длине тре щины не теряет значения, поскольку трещина в материале может существо вать в двух альтернативных состояниях — стабильном и нестабильном. Ус тановив количественную границу между этими двумя состояниями, можно определить, будет ли материал продолжать службу или разрушится. Нет принципиальной разницы в том, с какой стороны приближаться к этой гра нице: изучая разрушение тел с макроскопическими трещинами или исследуя процессы зарождения и развития субмпкротрещип при нагружении тел без трещин. Каждое из этих направлений имеет свои преимущества и недостатки, своп успехи и области приложения. Важной задачей современной науки о прочности и разрушении материалов является объединение достижений, по лученных на этих двух направлениях. Можно указать несколько примеров успешных попыток, направленных на решение этой задачи: коллективный труд по разрушению в семи томах под редакцией Г. Лнбовпца, две моногра фии Т. Екобори, ряд всесоюзных и международных конференций по разрушепнго. Однако эти примеры следует рассматривать лишь как начало работы в указанном направлении. Хочется надеяться, что предлагаемая монография также внесет посильный вклад в эту необходимую работу.
Основным содержанием книги является рассмотрение поведения под нагрузкой тел с трещинами. Основой такого рассмотрения служит анализ на пряженно-деформированного состояния в вершине трещины. Поскольку наи более значительные результаты в указанной области получены методами ме ханики Сплошных сред, автор попытался их использовать. В то же время абсолютное игнорирование дискретности строения материала, которое имеет место в исходных предпосылках механики сплошных сред, оправдано лишь до определенных границ. В линейной теории упругости применительно к те лам с трещинами это проявляется в сингулярности напряжений и градиента напряжений в вершине трещины. Показательным примером ограниченности выводов, основанных на механике Сплошных сред, может служить также сле дующий факт. Известно, что проблема низкотемпературной хрупкости ме таллов возникла под влиянием внезапных разрушений металлоконструкций. Последующее ее изучение показало, что явлению низкотемпературного хруп кого разрушения подвержены металлы с объемноцентрированной кубиче ской структурой, в то время как металлы с гранецентрированной кубической структурой лишены этого недостатка. Создается парадоксальное положение — фактор дискретного строения материала, лежащий в основе явления хруп кости, при изучении проблемы с позиций механики сплошной среды игнори руется. Однако явление хрупкого разрушения сопровождается происходя щими в различных масштабах процессами в вершине трещины, значительную часть которых пока удается правильно описать лишь с позиций механики сплошных сред. Поэтому задачей в данном случае является правильное уста новление границ применимости выводов механики сплошных сред
п их умелое сочетание с представлениями о дискретном строении мате риалов.
Наконец, еще одно обстоятельство связано с тепловыми колебаниями атомов. Развитие физики твердого тела показало, что роль этих колебаний весьма велика: ими обусловлены многие процессы в твердом теле, в частности процессы пластического течения и разрушения металлов. Определяющей является роль тепловых колебаний атомов в формировании температурно временной зависимости деформирующих и разрушающих напряжений. В Свя зи с этим существует мненпе о якобы принципиальном различии в подходах
к проблеме |
разрушения со стороны физиков и механиков: |
в |
представлении |
механиков |
процесс разрушения — явление критическое, |
но |
зависящее от |
времени; в |
представлении физиков — это процесс, зависящий от времени. |
По отношению к хрупкому разрушению тел с трещинами такое различие про является в том, что механики рассматривают его как катастрофическое яв ление, связанное с достижением в вершило трещины критического состояния материала. Действительно, развитие экспериментальной механики разруше ния свидетельствует о том, что хрупкое разрушение тел с трещинами носит катастрофический характер. Однако это не исключает возмояшостп участия в нем тепловых колебаний атомов, вследствие чего условия достижения в вер шине трещины критического состояния могут зависеть от времени. В настоя щей работе обосновапа именно такая возможность.
Процессы, происходящие в вершине трещины и сопровождающие хруп кое разрушение металлов, рассмотрены поэтапно. Так, в главах первой и второй приведены анализы напряженно-деформированного состояния матери ала в вершине трещины и условия достижения в этой области критического состояния. Анализ проведен на основе методов механики сплошных сред. Третья глава посвящена микроскопическим процессам пластического тече ния металлов, поскольку эти процессы всегда сопровождают хрупкое разру шение металлов и оказывают на него определяющее воздействие. Эти пред ставления при специфических условиях, существующих в вершине трещины, обобщены в четвертой главе, которая также посвящена анализу структурных критериев потери материалом устойчивости в вершине трещины. Очевидно, что при разрушении образцов с трещинами должны удовлетворяться не только механические, но и структурные критерии разрушения, хотя в общем они не должны быть независимыми. Объединение указанных критериев и, как следствие, физическая интерпретация вязкости разрушения материалов представлены в пятой главе. Наконец, в шестой главе обсуждаются процессы распространения трещин усталости и переход от усталости к хрупкому раз рушению. Необходимость этой главы очевидна, так как хрупкое разрушение большинства ответственных деталей происходит в результате предваритель ного роста в них трещин усталости. Зачастую именно усталостные трещины развиваются на определенных этапах эксплуатации машин. Поэтому рас смотрение проблемы хрупкости металлов без этого материала было бы непол ным. Однако этот вопрос не может быть полностью освещен в одной главе, поэтому автор не претендует на полноту изложения всех современных дости жений в указанной области.
Основная часть описанных в монографии оригинальных эксперименталь ных результатов получена на одном материале малоуглеродистой стали
(техническое железо). Этим она также отличается от других посвященных проблеме хрупкости книг, в которых признаки хрупкого разрушения иллю стрируются на примерах поведения разнообразных материалов. Последнее особенно характерно для литературы по металловеденшо, в которой, как пра вило, определенные обобщения на разные классы материалов достигаются ценою откага подняться выше эмпирических закономерностей до уровня по нимания физической сущности явления хрупкого разрушения металлов. Тот факт, что в данной монографии в основу анализа положены самые общие ме тоды, такие, как линейная и нелинейная механика разрушения, термодина мика, теория дислокаций, позволяет надеяться па возможность достаточно широкого обобщения сделанных в ней выводов. G другой стороны, хорошо известно, что в процессе хрупкого разрушения даже разнородные материалы проявляют много сходных признаков. Прежде всего сказанное относится к влиянию на этот процесс температуры, скорости нагружения, вида напря женного состояния и некоторых других факторов. В такой ситуации выбор базового материала для экспериментальной проверки основных положений исследования представляется целесообразным.
В монографии представлены в основном результаты оригинальных ис следований, а также некоторые данные, полученные в последние годы в от
деле физических основ прочности Института проблем прочности АН |
УССР |
|||||
под руководством и при непосредственном участии автора. |
|
|
||||
Автор признателен В. А. Вайнштоку, Ф. Ф. |
Гиняку, Ю. А. Кашталяну, |
|||||
А. А. Лебедеву, |
Г. Н. |
Надеждину и другим |
коллегам „по |
совместным |
||
исследованиям |
за полезное и |
плодотворное |
сотрудничество, |
а |
также |
|
Н. Д. Бакалинской, |
И. А. |
Маковецкой за |
помощь в |
оформлении |
||
рукописи, |
|
|
|
|
|
|
ГЛАВА
1
НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ В ВЕРШИНЕ ТРЕЩИНЫ
При решении любой задачи прочности отправной точкой является анализ напряжений и деформаций, на оспове которого можно установить наиболее слабую область изучаемого объекта и сформулировать критерии, определяющие критическое состояние материала в пей. В одних случаях этот вопрос не представляет особых трудностей, в других может ока заться весьма сложной задачей. К последним случаям, например, относятся задачи, связанные с анализом разрушений, происхо дящих в результате развития трещин.
Для линейно-упругого материала в настоящее время разра ботана достаточно строгая теория, описывающая напряженное состояние в вершине трещины и являющаяся хорошей •основой анализа хрупких разрушений. В то же время решение задачи на пряженного и деформированного состояний в вершине трещины с пластической зоной для материала с упрочнением сопряжено со значительными трудностями. Между тем эксперименты пока зывают, что подавляющее большинство практически важных и опасных разрушений сопровождается неизменным присутстви ем пластически деформированной области в вершине трещины. Эта пластическая деформация влияет как на форму кончика тре щины, приводя к сглаживанию пика напряжений, так и на свой ства материала, подвергаемого разрушению. Оценка эффектив ной поверхностной энергии при разрушении металлов и сравне ние ее с истинной поверхностной энергией показывают, что пер вая может превышать вторую на несколько порядков, определяя исключительную важность учета роли локальной пластической деформации в вершине трещины.
В данной главе предпринята попытка наиболее краткого рас смотрения полученных к настоящему времени основных резуль
татов |
исследования напряженного и |
деформированного состоя |
|
ний |
в вершине трещины методами механики сплошных сред. |
||
Эти |
результаты рассматриваются прежде всего |
применительно |
|
к классическому случаю бесконечной |
пластины |
с внутренним |
сквозным разрезом и не претендуют на полноту обзора работ
в данной области. Основная задача — дать читателю представление
оспецифике напряженно-деформированного состояния материа ла в вершине трещины, с тем чтобы стало доступным и понятным последующее изложение материала.
Следует отметить, что если для линейно-упругого материала существуют достаточно простые решения, позволяющие прово дить всесторонний анализ напряженного состояния в вершине трещины, то для случая упруго-пластического поведения мате риала пока получены лишь некоторые аналитические решения частных задач, а также численные решения, позволяющие прежде всего указать рамки применимости упругих решений для анализа разрушений с пластической зоной и составить представление о вли янии на характер разрушения ряда факторов: деформационного
упрочнения, размеров образца и др. Определенное внимание в главе уделено линейной механике разрушения, богатый экспе риментальный материал которой позволяет сделать вполне кон кретные выводы относительно рамок применимости упругих ре
шений. Подробный |
анализ |
рассмотренных проблем |
проведен |
в работах [16, 147, |
153, 163, |
165, 188]. Со времени их |
опублико |
вания получены существенные результаты как в решении новых задач, так и в систематизации данных теоретического и экспери ментального характера [168, 174, 175, 177, 221]. В связи с наметив шимся широким применением методов механики разрушения в практике конструирования и эксплуатации в последние годы за рубежом издан ряд книг, посвященный отдельным аспектам механики разрушения, а также работы, доступные для начального ознакомления с проблемой [58, 159, 263, 318, 456].
1. Трещина в линейно-упругом материале
В настоящее время в литературе доста точно подробно освещены вопросы хронологии появления и ос новные результаты решения различных задач теории трещин
методами |
линейной |
теории упругости |
[5, |
16, 67, 147, |
158, 163, |
168, 175, |
187, 188, |
205, 216, 221, 456]. |
В |
частности, |
в обзоре |
Д. Д. Ивлева [67] рассмотрены основные работы по проблеме иде ально хрупкого и квазихрупкого разрушения, в обзорной части монографии В. В. Панасюка [163] — предельное равновесие тел
стрещинами, в исследовании Г. Н. Савина и В. В. Панасюка
[187]большое внимание уделено работам украинской школы ме хаников. Общие приемы решения задач теории упругости, в част ности задач о трещинах, рассмотрены в монографии Г. Н . Сави на [188]. Указанные работы дают достаточно полное представле ние о состоянии вопроса на конец 60-х годов.
В качестве основополагающих теоретических исследований методами математической теории упругости могут быть названы