Введение

Введение

Как показывает анализ литературных данных, в настоящее время, несмотря на очевидный прогресс в области механики разрушения, не существует критериев динамической трещиностойкости, имеющих прозрачный физический смысл и простую процедуру их количественной оценки.

Известные в настоящее время методы оценки динамической трещиностойкости либо очень сложны и дороги, например, методика определения динамической вязкости разрушения, К1Сd, либо не в полной мере отражают физическую суть динамической трещиностойкости. Так, при проведении испытаний по Дроздовскому, в процессе роста трещины на боковых поверхностях образца формируются утяжки, на формирование которых расходуется энергия, которая в некоторых случаях, значительно превышает удельную энергию роста трещины в условиях плоскодеформированного состояния (ПДС).

Кроме того, несмотря на очевидные успехи современного металловедения в области получения объемных наноструктурированных конструкционных материалов реальные сечения наноструктурированных заготовок остаются относительно небольшими.

В то же время уровень трещиностойкости диспергированных до наноуровня (сверхмелкозернистых) материалов весьма высок, что делает практически невозможной корректную оценку их трещиностойкости, для которой необходимо выполнение условий плоской деформации при распространении трещины, другими словами – существенное увеличение поперечного сечения испытываемых образцов.

Таким образом, одновременно с прогрессом в области разработки диспергированных до наноуровня конструкционных материалов со всей остротой встает проблема оценки характеристик механических свойств этих материалов, и, особенно, - их трещиностойкости, и поэтому, разработка методов оценки трещиностойкости диспергированных вплоть до наноуровня объемных конструкционных материалов, в настоящий момент является весьма актуальной задачей. В первую очередь это относится к трещиностойкости при динамическом нагружении.

Как показывает многолетний опыт эксплуатации стальных конструкций и деталей машин, наиболее опасным видом разрушения, безусловно, является хрупкое разрушение, вот почему большинство работ последних десятилетий посвящено изучению фрактографических особенностей именно этого вида разрушения, а фрактография вязкого разрушения до настоящего времени остается малоизученной. В то же время формирование именно ямочного микрорельефа и обеспечивает тот высокий уровень сопротивления зарождению и росту трещин, который характерен для вязкого разрушения. В связи с этим исследование формирования ямочного микрорельефа и его особенностей, сопровождающих рост энергоемкости до высокого и сверхвысокого уровня, вне всякого сомнения, является чрезвычайно актуальным.

Работа разрушения образцов с U - или V-образным надрезом складывается из работы общего пластического изгиба, включающую работу зарождения трещины, работы распространения трещины в плоском (или хрупком) «квадрате» и работы среза в откосах излома.

В 1946 г. предложил исключать работу общего пластического изгиба и работу зарождения трещины, испытывая образцы с заранее нанесенной усталостной трещиной. Критерий вошел в ГОСТ 9454-78 как КСТ. Если нет пластического изгиба и работа зарождения трещины равна нулю, то в работе разрушения остаются только два слагаемых: работа распространения трещины в плоском (или хрупком) «квадрате», Г, и работа среза в откосах излома, Гs.

Таким образом, величина ударной вязкости КСU или KCV – это сумма работ пластического изгиба, среза в откосах излома и работа распространения трещины в плоском (или хрупком) «квадрате», а КСТ - это сумма работ среза в откосах излома и работа распространения трещины в плоском (или хрупком) «квадрате».

Так называемый «хрупкий квадрат» это не что иное, как распространение трещины в условиях плоскодеформированного состояния – ПДС, а откосы излома или боковая утяжка – распространение трещины в условиях плосконапряженного состояния – ПНС.

Известно, что при определении статической вязкости разрушения, К1С, жестко соблюдают выполнение условий плоской деформации, достаточно упомянуть лишь Российский стандарт ГОСТ 25.506-85.

Отсюда следует, что, во-первых, параметр КСТ в строгом смысле не является критерием динамической трещиностойкости, по крайней мере в тех случаях, когда на боковых поверхностях образцов в процессе испытаний образуется утяжки; а во-вторых, что для оценки динамической трещиностойкости материалов необходимо проводить испытания в условиях плоской деформации, т. е. следует каким-то образом устранять боковую утяжку.

Реализацию разрушения в условиях плоской деформации можно обеспечить за счет увеличения скорости деформации; снижения температуры испытания или повышения жесткости напряженного состояния.

Испытания на ударную вязкость, КСТ, при изменении скорости нагружения в широких пределах можно проводить только при наличии ротационного (бойкового) копра. В исследовательских лабораториях РФ в основном используются маятниковые копры типа МК-30, которые обеспечивают скорость нагружения V ≤ 6,3 м/с.

Снижение температуры испытания используют для построения сериальных кривых и определения критической температуры хрупкости, Ткр. Однако снижение температуры испытания неизбежно приводит к изменению свойств материала, в частности, к повышению сопротивления пластической деформации σ0,2 и, как следствие, к смене микромеханизма разрушения. Таким образом, наиболее приемлемым приёмом, обеспечивающим разрушение в условиях плоской деформации можно считать повышение жесткости напряженного состояния.

Повысить жесткость напряженного состояния можно, во-первых, за счет увеличения геометрических размеров образца, главным образом его толщины. Этот прием широко используют при проведении испытаний на вязкость разрушения, К1С, по ГОСТ 25.506-25. Следует отметить, однако, что увеличение габаритных размеров образцов не всегда возможно, например, при испытании листовых материалов, а также вследствие ограниченной мощности вибратора Дроздовского, с помощью которого наносят исходную трещину.

Вторым приемом, позволяющим повысить жесткость напряженного состояния, является увеличение длины исходной усталостной трещины.

Наиболее эффективным приемом, гарантирующим переход к разрушению в условиях плоской деформации можно считать нанесение боковых надрезов.

В тех случаях, когда уровень ударной вязкости материала очень высок, и одного увеличения длины трещины недостаточно для реализации разрушения в условиях плоской деформации, два последних приема можно использовать в комплексе, и перед выращиванием усталостной трещины на боковую поверхность образца наносить боковые V-образные надрезы.

Литературные данные о влиянии длины трещины и боковых надрезов на реализацию условий плоской деформации при ударном нагружении крайне ограничены, вот почему нашей исследовательской группой совсем недавно (не более 2-х лет назад) была предложена простая и физически прозрачная методика оценки динамической трещиностойкости, G1Cd, по результатам комплексных испытаний на ударную вязкость образцов с трещиной различной длины а также двумя дополнительными острыми боковыми надрезами.

В представленной работе подтверждена эффективность разработанной ранее методики оценки динамической трещиностойкости закаленной и отпущенной в широком интервале температур стали 09Г2С. Показано, что именно на высоковязких сталях использование данной методики наиболее перспективно.

Установлена взаимосвязь между уровнем динамической трещиностойкости, G1Cd, и параметрами излома закаленной и отпущенной при различных температурах стали 09Г2С. Показано, что увеличение параметра G1Cd, происходящее по мере повышения температуры отпуска, сопровождается ростом доли площади излома, занятой крупными ямками-конусами, одновременно происходит увеличение зоны пластической деформации (ЗПД) впереди фронта трещины, размеры которой были определены систематическим измерением микротвердости, начиная от поверхности разрушения.

Изменение размеров (диаметра и глубины) ямок различных типов (уплощенные ямки, ямки-колодцы и ямки-конусы) немонотонно и зависит от возможностей протекания локальной микропластической деформации по 3-м непараллельным осям, а также – от полноты протекания процессов слияния соседних ямок.