WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Разрушение начинается с зеркальной зоны, соответствующей стадии медленного подрастания одиночной трещины. Зеркальная зона переходит в матовую, на поверхности разрушения появляются конические следы, затем в перьевую. Разграничение между матовой и перьевой зонами является условным: механизмы разрушения в них одинаковые, но повышенная плотность конических следов придает поверхности разрушения в перьевой зоне выраженную шероховатость. Как показано на графике рис. 7, плотность конических сечений плавно возрастает вдоль пути трещины. Матовая и перьевая зоны соответствуют режиму стабильного прямолинейного распространения главной трещины; процесс разрушения происходит путем распространения одиночной трещины в плоскости, перпендикулярной к максимальным растягивающим напряжениям, сопровождается инициацией микротрещин перед фронтом магистральной трещины, их ростом в этой же плоскости и накоплением микротрещин до критической величины.

Рис. 7. Поверхность разрушения ПММА и механизмы разрушения на различных этапах быстрого распространения трещины и ее ветвлении

Затем наблюдается резкий переход из перьевой в шероховатую зону: наряду с картиной конических следов появляются области с объемным рельефом и радиальные линии вдоль направления распространения основной трещины.

Области с объемным рельефом состоят из совокупности конических следов, которые формируются при слиянии первоначальной трещины с микротрещинами, инициированными на различном удалении от средней поверхности разрушения. Радиальные линии, представляющие собой ступеньки скола, образуются при разрыве перемычек материала между участками фронтов трещины, движущихся по параллельным плоскостям.

Шероховатая зона поверхности разрушения соответствует распространению не прямолинейного фронта одиночной трещины, а совокупного фронта микротрещин, которые возникают, растут и объединяются в зоне разрушения.

Микротрещины объединяется и распространяются в пределах зоны разрушения в направлении, параллельном основной трещине, либо составляют с ней некоторый угол, образуя микроветви, выходящие за пределы зоны разрушения. Формированию микроветви на поверхности разрушения соответствует участок скола, который состоит из зеркальной зоны и ступенек скола, перпендикулярных направлению распространения трещины, и образуется при слиянии микроветви с плоскостью распространения основной трещины.

По окончании шероховатой зоны наблюдается ветвление трещины. Ветвлению на поверхности разрушения соответствует участок скола, который занимает всю толщину пластины и характеризуется теми же фрактографическими особенностями, что и участок, соответствующий образованию микроветви. Следовательно, механизм разрушения ПММА при переходе от прямолинейного распространения трещины к режимам микроветвления и ветвления не меняется и происходит путем микротрещинообразования; ветвление трещины происходит, когда ширина микроветви (ветви) становится равной толщине пластины.

Дальнейшее развитие ветвей определяется перераспределением полей напряжений, которое зависит от геометрии образца, условий нагружения и их взаимодействия с отраженными от поверхности образца волнами.

Для стали 45 также было проведено фрактографическое исследование поверхности разрушения на различных этапах быстрого распространения трещины и ее ветвлении. На рис. 8 приведены характерные фрагменты поверхности разрушения стали 45 по пути распространения трещины.

Поверхность разрушения ориентирована перпендикулярно к направлению действия основных напряжений (рис. 8, а): разрушение по всей длине трещины реализуется отрывом. На изломах различаются два типа зон разрушения: небольшая волокнистая зона, которая формируется вдоль надреза по всей толщине стенки сосуда (рис. 8, б), остальная часть излома состоит из радиальной зоны (рис. 8, в). Волокнистая зона соответствует режиму стабильного прямолинейного распространения трещины; процесс разрушения происходит путем распространения первоначальной трещины в плоскости максимальных растягивающих напряжений в результате слияния микропор. Разрушение в радиальной зоне происходит по механизму хрупкого внутризеренного скола.

Рис. 8. Поверхность разрушения сосуда давления при распространении трещины с ветвлением, 500: а – общий вид; б, в – волокнистая и радиальная зоны

С повышением р уменьшаются расстояние от надреза до точки ветвления L и доля площади излома, приходящаяся на волокнистую зону.

В сосудах давления, разрушившихся с ветвлением, образуются микроветви как до, так и после ветвления основной трещины. Разрушение материала на участках, соответствующих и микроветвлению, и ветвлению, происходит по тому же механизму внутризеренного скола, что и на остальной части радиальной зоны.

Экспериментальные данные, описывающие эволюцию зоны процесса разрушения в ПММА и стали 45, приведены на рис. 9.

По мере развития процесса разрушения все больший объем материала оказывается вовлеченным в процесс микротрещинообразования, т.е. возрастают размеры зоны процесса разрушения. На изломе ПММА это проявляется в увеличении протяженности радиальных линий, высоты ступенек скола, размера области микрорастрескивания и в образовании микроветвей. Оптическая прозрачность ПММА предоставляет возможность оценить поперечный размер зоны процесса разрушения D по высоте зоны процесса микрорастрескивания.

Рис. 9. Эволюция зон процесса разрушения в ПММА (а, б) и стали 45 (в,г)

Максимальный размер зоны процесса разрушения Dmax возрастает с увеличением р (рис. 9, а). При измерениях вдоль пути трещины D монотонно возрастает (рис. 9, б), наиболее развитая зона разрушения при распространении трещины с ветвлением наблюдается на расстоянии 0,5–1 мм от точки ветвления и уменьшается непосредственно при ветвлении.

В стали 45 разрушение происходит путем распространения одиночной трещины, и рельефность поверхности разрушения вполне отражает эволюцию зоны процесса разрушения. В качестве количественных параметров, характеризующих поперечный размер этой зоны, было принято два параметра – шероховатость поверхности излома Rz между радиальными рубцами и высота радиальных рубцов H. Оценка шероховатости проводилась на профилометре SJ-201 Mitatoyo. Расстояния между рубцами составляли порядка 1-5 мм. С увеличением расстояния от надреза образуются менее рельефные радиальные рубцы с отсутствием деталей.

Шероховатость поверхности излома Rz разрушения монотонно возрастает вдоль пути трещины (рис. 9, в) и убывает, начиная с расстояния порядка 15 мм до точки ветвления (рис. 9, г). Высота радиальных рубцов H также монотонно снижается при приближении к точке ветвления (рис. 9, г). Иначе говоря, поперечный размер зоны процесса разрушения при распространении трещины с ветвлением в конструкционном материале, так же, как и в модельном, достигает максимума на некотором расстоянии до точки ветвления, и уменьшается непосредственно перед ветвлением.

Механизм разрушения исследованных материалов при быстром распространении одиночной трещины и ее последующем ветвлении может быть описан следующим образом.

При распространении одиночной трещины поток энергии упругих деформаций G, поступающий в ее вершину, расходуется на сопротивление материала росту трещины – образование новой поверхности тела и диссипацию энергии в зоне процесса разрушения. С увеличением скорости трещины G возрастает, что вызывает в материале повышение сопротивления росту трещины и проявляется в возрастании площади вновь созданных поверхностей и увеличении размеров зоны процесса разрушения вдоль пути трещины: на изломах ПММА формируются зоны с различной морфологией поверхности разрушения (зеркальная, матовая, перьевая, шероховатая), поперечный размер зоны процесса разрушения D монотонно возрастает; в стали 45 наблюдается возрастание шероховатости поверхности разрушения RZ и высоты радиальных рубцов H.

Достижение предельной скорости распространения трещины V* при критическом уровне номинального разрушающего напряжения * в пластине или в тонкостенной оболочке означает ограничение диссипации энергии в зоне процесса разрушения из-за лимитированной скорости протекания процессов диссипации. Таким образом, при V V* в зонах процесса разрушения и модельного, и конструкционного материалов не успевают реализоваться те процессы повреждения, которые поддерживают быстрое распространение одиночной трещины. Наступление критического состояния проявляется в уменьшении поперечных размеров зоны процесса разрушения непосредственно перед ветвлением: в ПММА – убывание D, в стали 45 – RZ,, H и рельефности радиальных рубцов.

Освобождающийся при продвижении одиночной трещины со скоростью VV* поток энергии упругих деформаций G превышает энергию G*, затрачиваемую на сопротивление материала росту одиночной трещины, избыток энергии расходуется на образование новой поверхности, т.е. на ветвление трещины. G* зависит от деформационных свойств материала при VV* и ширины образца. Уменьшение расстояние от надреза до точки ветвления трещины с повышением * происходит из-за быстрого достижения при этих условиях G*.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны методики для экспериментального исследования ветвления трещин в пластинах и тонкостенных цилиндрических оболочках, позволяющие контролировать режим распространения трещины при разрушении (прямолинейное или с ветвлением). Создан автоматизированный измерительный комплекс, позволяющий проводить регистрацию, обработку и анализ экспериментальных данных, полученных в процессе натурных испытаний тонкостенных цилиндрических оболочек нагружением внутренним давлением.

2. Методики реализованы на модельном (ПММА) и конструкционном (углеродистая сталь) материалах и установлены общие для исследованных материалов макроскопические закономерности:

  • ветвление происходит при достижении критического уровня разрушающего напряжения, причем с повышением уменьшается расстояние от надреза до точки ветвления трещины;
  • процесс разрушения сопровождается формированием микроветвей, занимающих часть толшины образца, как до, так и после ветвления основной трещины, при этом траектория трещины отклоняется от прямолинейной;
  • разделение одиночной трещины на две расходящиеся под углом 30-600 ветви происходит, когда ширина ветви (микроветви) становится равной толщине пластины или оболочки.

3. РЭМ-фрактографические исследования показали, что механизм трещинообразования при переходе от прямолинейного распространения трещины к режимам микроветвления и ветвления не меняется: в ПММА разрушение при быстром распространении трещины вплоть до микроветвления и ветвления происходит по механизму микротрещинообразования, а в стали 45 - внутризеренного скола.

4. Проведено исследование эволюции зон процессов разрушения и установлено, что поперечный размер зон монотонно увеличивается вдоль пути трещины и уменьшается непосредственно перед ветвлением.

5. На основе проведенных исследований предложен физический механизм ветвления трещины: переход трещины от прямолинейного распространения к ветвлению происходит, когда ее скорость V достигает своего предельного значения V*, при котором поток энергии упругих деформаций, поступающий в вершину трещины, G, превышает энергию G*, которая затрачивается на сопротивление материала росту одиночной трещины, т.е. при G > G* (необходимое условие) и V = V* (достаточное условие). Величина G* зависит от деформационных свойств материала при V V* и толщины образца.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

  1. Левин А.И./ Характер разрушения при ветвлении трещины в аморфных полимерах / А.И. Левин, А.С. Сыромятникова, А.А. Алексеев // Материалы I Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата: в 6 т. Т.2. – Якутск: ОИФТПС СО РАН, 2002. – С.80-83.
  2. Подходы в оценке перехода от прямолинейного распространения трещины к режиму ветвления при динамическом разрушении / А.А. Алексеев, А.И. Левин, А.С. Сыромятникова и др. // Материалы I Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата: в 6 т. Т.2. – Якутск: ОИФТПС СО РАН, 2002. – С.83-88.
  3. Алексеев А.А. Характер разрушения при ветвления трещины в аморфных полимерах / А.А. Алексеев, А.С. Сыромятникова, А.И. Левин // Тезисы докладов Тринадцатой зимней школы по механике сплошных сред. – Пермь: ИМСС УрО РАН, 2003. – С.14.
  4. Левин А.И. Ветвление трещины в полиметилметакрилате / А.И.Левин, А.С. Сыромятникова, А.А. Алексеев, А.М. Большаков // Фундаментальные и прикладные проблемы физики и энергетики. Межвузовский сборник научных трудов. – Новосибирск: Сибирское соглашение, 2003. – C.135-140
  5. Исследование причин аварий магистрального газопровода Бэргэ-Якутск / А.М. Большаков, Н.И. Голиков, А.А. Алексеев, А.Р. Иванов. //Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф. Проблемы защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: В 3 т. Т.2.: Тр. научных конференций. – Красноярск: ИВМ СО РАН, 2003. – С.62-68.
  6. Низкотемпературные натурные испытания сосудов высокого давления / А.А. Алексеев, К.Н. Большев, В.А. Иванов и др. // Тезисы Десятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых: В 2 т. Т. 2. – Екатеринбург-Красноярск: издательство АСФ России, 2004. – С.1155-1156.
  7. Алексеев А.А. Натурные испытания стали 45 при низких температурах / А.А. Алексеев, К.Н. Большев // Труды II Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. Ч.1. – Якутск: ЯФГУ «Изд-во СО РАН», 2004.– С.364-368.
  8. Большев К.Н. Автоматизированный измерительный комплекс для низкотемпературных натурных испытаний сосудов высокого давления / К.Н. Большев, А.А. Алексеев // Труды II Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. Ч.1. – Якутск: ЯФГУ «Изд-во СО РАН», 2004. – С.364-373.
  9. Левин А.И. Ветвление трещины в полиметилметакрилате / А.И. Левин, А.С. Сыромятникова, А.А. Алексеев // Наука-производству. – 2004. - №9. – С.31-33.
  10. Алексеев А.А. Исследование ветвления трещины при разрушении крупногабаритных стальных конструкций при низких температурах / А.А. Алексеев // Сборник статей IX Лаврентьевских чтений, посвященных Международному году Физики. Том 1. – Якутск, 2005. – С.143-147.
  11. Исследования несущей способности надземных магистральных газопроводов эксплуатирующихся более 35 лет в условиях Севера / А.М. Большаков, Н.И. Голиков, А.А. Алексеев и др. // Газовая промышленность. –2006. -№1. - С.38-39.
  12. Сыромятникова А.С.
    Pages:     ||
    |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.