Хрупкая прочность конструкций существенно зависит от размеров сечений ее деталей, концентраторов напряжений (дефектов) в иих и условий нагружения.
В этой связи специалистами НПО ЦНИИТмаш н отраслевого предприятия Шкода (ЧССР) были проведены хрупкому разрушению М. Брумовски исследования разрушения стали 15Х2НМФА с концентраторами напряжения на крупногабаритных образцах сечением 150X600 мм в машине 22-8000 ОП Шкода и дисковых моделях толщиной 150 мм на разгонном стенде НПО ЦНИИТмаш. Образцы и дисковые модели были изготовлены из листа толщиной 180 мм, выполненного из слитка массой 50 т. Термообработка листа произведена в режиме: закалка при температуре 900 °С, охлаждение в воде; отпуск при 650 °С — 14 ч; дополнительный отпуск при 620 С — 25 ч, при 650 °С— 20 ч. Механические свойства стали указаны в табл. 1.
Наряду с испытаниями крупных образцов и дисковых моделей исследована хрупкая прочность стали по критериям механики разрушения. Испытания на вязкость разрушения проводили на компактных образцах внецентренного растяжения СТ толщиной 25..1100 мм и изгибных — 40 мм. Определено значение критического коэффициента интенсивности напряжений Кгс в интервале температур —160...+20 °С. При комнатной температуре оценка вязкости разрушения проводилась также по ./-интегралу путем построения кривой. Испытания показали, что вязкость разрушения исследуемой стали 15Х2НМФА при температуре 20 °С можно охарактеризовать значением Кхс — 220— 250 МПа м1.
Дисковые модели испытывали на разгонной установке конструкции ЦНИИТмаша. Поверхностные трещины в дисковых моделях создавались путем электроннолучевого переплава титановой проволоки, закрепляемой в надрезе нужной геометрии и глубины, выполненном фрезой.
Перед испытаниями измеряли исходные размеры надреза (ширину и глубину). Нагружение дисковых моделей производили при ступенчатом повышении скорости вращения через 8,3... 17 с1. После каждого режима в предполагаемой области разрушения модель останавливали и измеряли геометрические размеры в указанных местах. Повышение оборотов производили до тех пор, пока при очередном увеличении скорости вращения модель не разрушалась.
Следует отметить, что для случаев разрушения в упругой области без докритического подрастания дефекта, очевидно, в качестве разрушающих можно принимать максимальные тангенциальные напряжения в центре диска, так как полуэллиптический дефект расположен в середине диска. В табл. 2 представлены сводные результаты разгонных испытаний дисковых моделей с поверхностными дефектами различной геометрии и глубины. Там же приводится размер эквивалентного дефекта, где — параметр формы трещины.
При разрушении всех дисковых моделей из стали 15Х2НМФА наблюдалось докритическое подрастание трещины, начинающееся, как правило, в зоне максимального значения Кг, т. е. в месте наибольшей глубины полуэллиптического дефекта — в центре диска.
В качестве примера на рис. 1 показан излом дисковой модели диаметром 650 мм из стали 15Х2НМФА. Стабильное подрастание поверхностных дефектов увеличивается с уменьшением размеров (глубины) дефекта. При замере остаточных деформаций в надрезе и по диаметру дисков после режимов нагружения, предшествовавших разрушению, обнаружены остаточные деформации, достигающие 1 1,5 мм.
Крупногабаритные образцы сечением 150X600 мм испытаны на машине22-8000 на ОП Шкода. На образцы электроискровым способом наносили поверхностный полуэллиптический надрез с соотношением глубины и длины а/2с, равным 0,2. Испытания образцов проводили при комнатной температуре, постепенно увеличивая статическую растягивающую нагрузку, вплоть до разрушения образца. Во время испытания образцов измеряли их деформацию, раскрытие надрезов и определяли начало страгивания трещины методом акустической эмиссии и методом электросопротивления. Основные результаты испытаний образцов в машине 22-8000 приведены в табл. 3. Изломы образцов показаны на рис. 2.
Наблюдалось квазихрупкое разрушение всех испытанных образцов, которое инициировалось из самого глубокого места надреза, т. е. в области с самым высоким значением Кг- На изломах образцов хорошо виден докритический рост трещины. Инициирование докритического роста трещины возникало при напряжениях, близких к пределу текучести. Максимальная разрушающая нагрузка достигала уровня предела прочности у образца С1 и постепенно уменьшалась с увеличением размера дефекта.
Эксперименты на крупномасштабных образцах и моделях подтвердили предложенную ранее методику оценки прочности крупногабаритных' конструкций с дефектами, основанную на классической теории прочности и теории линейной механики разрушения.
Для определения допустимой области работы конструкций следует учитывать запасы прочности: 1) запас по номинальному напряжению (по существующим нормам), где а — размер дефекта;— параметр формы дефекта.
Опытные значения разрушающих напряжений хорошо согласуются с величиной предела прочности при малых размерах дефектов и с критическим напряжением в области квазихрупких разрушений (см. рис. 3). В то же время в области хрупких разрушений имеет место различие опытных и расчетных значений. Это связано с большими размерами дефектов, которые становятся соизмеримыми с толщиной моделей, и здесь уже нельзя использовать формулу Ирвина, предложенную для полу-бесконечного тела.
На рис. 4 опытные данные сопоставлены с результатами расчета по формуле, учитывающей толщину моделей и приведенной в работе [2] (пункт Л-3300): где ат и 0и — мембранные и изгибные напряжения; Мт и Ми— коэффициенты, зависящие от а!2с и а!В — толщина детали.
Расчетные кривые и экспериментальные точки хорошо совпадают в исследованном диапазоне напряжений (0,6...1,О)0в в области хрупких и квазихрупких разрушений (см. рис. 4).
Запас по размеру дефекта можно принять по ГЗ] (пункт В-3600) пас =ас/а/=10, где а/ —максимальный размер наблюдаемого дефекта в конце эксплуатации элемента конструкции (по данным расчета); ас — минимальный критический размер дефекта при нормальных условиях эксплуатации.
На основе этих значений запасов прочности можно построить диаграмму области допустимых условий работы конструкции. Для примера на рис. 4 показана такая диаграмма (заштрихованная часть) для конструкции с толщиной стенки 150 мм и поверхностными дефектами с соотношением а!2с, равным 0,2. Область работы ограничена горизонталью на уровне номинального напряжения и кривой, полученной расчетом по критическому направлению с запасом прочности по размеру дефекта па= 10.
Выводы
1. Для оценки прочности толстостенных конструкций с дефектами следует применять диаграмму разрушения, представляющую зависимость разрушающего напряжения от размера дефекта. Диаграмма разрушения сверху ограничивается пределом прочности материала, справа — критическими напряжениями, рассчитанными по силовому критерию линейной механики разрушения.
2. Расчетная оценка прочности конструкций с использованием такой диаграммы разрушения хорошо соответствует экспериментам на крупномасштабных образцах и дисковых моделях в области хрупких и квазихрупких разрушений.
