При ремонте тяжело-нагруженных металлоконструкций технических устройств часто возникает необходимость подобрать материал, который бы по своим свойствам был не хуже того, из которого изготовлен ремонтируемый элемент конструкции. Как показывает опыт, подбор материала только по химическому составу и механическим свойствам недостаточно адекватно отражает его эксплуатационную надежность. Это связано с тем обстоятельством, что разрушению большинства нагруженных элементов металлоконструкций предшествует появление усталостных или хрупких трещин. Поэтому целесообразно подбирать такие материалы, которые бы имели характеристики трещиностойкости не хуже чем материалы, использованные при изготовлении. Для практики важно, чтобы характеристики трещиностойкости определялись без больших трудозатрат и в тоже время всесторонне отражали свойства материалов элементов конструкции при работе в эксплуатационных условиях. Наиболее подходящими для этих целей являются критерии механики разрушения (K1с ,δ1с), которые оценивают способность металла элементов конструкции сопротивляться разрушению в наиболее неблагоприятных, с точки зрения напряженно-деформированного состояния (плоская деформация), условиях.
Критерии (K1с, δ1с) являются критическими характеристиками, которые определяют начало нестабильного, неуправляемого, самопроизвольного развития разрушения. Расчетную оценку указанных критериев возможно произвести на основе структурно-механической модели развития трещин [3]. Модель предполагает дискретное развитие трещины (это подтверждается многочисленными экспериментальными результатами исследования кинетики разрушения), которое реализуется в пластичных металлах. Дискретный рост трещины определяется процессами пластической деформации, протекающими в зоне предразрушения и приводящими к образованию несплошностей на некотором расстоянии от вершины макротрещины. Одномоментный разрыв перемычки между вершиной макротрещины и образовавшейся микронесплошности и является «шагом» трещины. Для того чтобы трещина дальше развивалась, необходимо следующая порция накачки энергии в зону предразрушения.
Критическая ситуация наступает тогда, когда в процессе разрыва перемычки выделяется достаточно энергии для последующего шага, иначе достижение критического состояния определяется величиной такого расстояния между вершиной макротрещины и местом впереди вершины трещины, где достигается критическая плотность энергии деформации. Таким образом, для расчетной оценки (K1с) необходимо определить условия образования микронесплошностей в зоне предразрушения и определить размер «критического» шага трещины.
В соответствии со структурно-механической моделью [3] на линии продолжения развития трещины условие, при котором образуются микронесплошности (субмикротрещины) запишется:
Выражение (6) связывает коэффициент интенсивности (K), расстояние от вершины трещины (r) и si. Если вместо si подставить в (6) его значения из условия (3), а вместо (r) размер «критического» шага трещины, то, очевидно, что значение (K) в этом случае будет соответствовать (K1с). Оценку критического размера (rкр) можно произвести исходя из физико-механических представлений о процессах пластического деформирования металлов в вершине трещины.
Известно, что в процессе упруго-пластического деформирования, исходная структура металла фрагментируется и что размеры фрагментированной структуры, которая, в конечном счете, отвечает за механические характеристики металла в момент разрушения в 2,6 ÷ 2,7 раза меньше размеров исходной структуры, т.е.:
dф = dЗ/(2,6÷2,7), (7)
где: — dЗ – размер исходной недеформированной структуры; dф – размер фрагмента деформированной структуры.
Примем, что в момент наступления критической ситуации область с критической плотностью энергии деформации охватывает все зерно металла, которое фрагментировано на три фрагмента. Причем фрагментация идет в соответствии с законом «золотого сечения», т.е. сначала образуются два фрагмента размером 0,618dЗ и 0,382dЗ. При данной пластической деформации больший размер (0,618dЗ) еще раз делится по «золотому сечению» и образует фрагменты 0,382dЗ и 0,236dЗ. Таким образом, зерно делится на три фрагмента, два из которых имеют размер 0,382dЗ и один 0,236dЗ.
Учитывая тот факт, что наиболее вероятное образование микронесплошностей будет проходить по границам фрагментов, примем, что в критический момент трещина проскакивает два фрагмента. Тогда размер этого скачка может быть либо 0,618dЗ, либо 0,764dЗ.
Указанные значения критического скачка трещины соответствуют экспериментальным данным работы [2], в которой показано, что размеры фасеток транскристаллитного скола для феррито-перлитных сталей составляет (0,6-0,8) dЗ.
Подставляя в (6) rкр = (0,618-0,764)dЗ и выражая (K) в явном виде получим:
Константу l некоторые исследователи находили путем численного анализа [4]. Определим l для конкретных материалов: сталь 22К и сталь 10. Характеристики этих материалов указаны в табл.1.
Таблица 1.
Механические характеристики и параметры трещиностойкости сталей
|
Марка стали |
sв, МПа | s0,2, МПа | φ | m | dЗ | RMCе, МПа |
K1C, МПа·√м |
|
| расчет по (2) | эксперимент | |||||||
| Ст22К | 540 | 310 | 0,69 | 0,16 | 3·10-5 | 1030 | 97 | 93,5 Ст20К |
| СтВст3кп | 450 | 270 | 0,71 | 0,16 | 3,7·10-5 | 930 | 101 | 102 |
| Ст50 | 680 | 350 | 0,62 | 0,16 | 2,5·10-5 | 1100 | 78 | 77 Ст45 |
| Ст10 | 320 | 190 | 0,73 | 0,17 | 6,6·10-5 | 690 | 103,6 | ― |
| 37ХН3А | 1014 | 743 | 0,60 | 0,12 | 6·10-5 | 1584 | 73,4 | 73,8 |
Значения, рассчитанные по формуле (12) для сталей 22К и 10, составили 0,22 и 0,23, соответственно. Поскольку наиболее поздние данные анализа [4] дают значения l=0,23 , следует признать соответствие результатов аналитического по (12) и численного расчетов весьма удовлетворительным.
Предложенная методика расчетной оценки критериев трещиностойкости, позволяет корректно и обоснованно с учетом условий эксплуатации, без лишних трудозатрат, определить пригодность выбранного металла для конкретного элемента конструкции.
Список литературы:
- Броек Д. Основы механики разрушения.- М.: Высшая школа, 1980.- 368 с.
- Горицкий В.М. Критерий разрушения сталей, склонных к распространению хрупких микротрещин по границам кристаллов // Проблемы прочности,- 1987.-№4.-С.37-42.
- Матохин Г.В. Оценка ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей.- Владивосток: Издательство ДВГТУ, 2001.- 202 с.
- Нотт Дж. Основы механики разрушения: Пер. с англ.- М.: Металлургия, 1978.- 256 с.[schema type=»book» name=»РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ» author=»Матохин Геннадий Владимирович, Игуменов Александр Анатольевич, Лютарь Виталий Станиславович » publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]