ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ВЯЗКОЕ РАЗРУШЕНИЕ

6.2.1.

МИКРОМЕХАНИЗМ ВЯЗКОГО РАЗРУШЕНИЯ

На рис. 6.11а дан вид волокнистого (вязкого) излома круглого образца низкоуглеродистой стали при одноосном растяжении. В его центре видно дно «чашечки», перпендикулярное оси образ­ца и направлению растяжения. Края излома представляют собой коническую поверхность ее стенок.

На рис. 6.116 представлен продольный шлиф по центру анало­гичного образца, испытание которого было прекращено перед са­мым моментом излома. Видны многочисленные поры, и их кон­центрация увеличивается по мере приближения к центру шейки. В центре шейки — вязкая трещина.

Если испытательная машина снабжена ЭВМ и производится запись диаграммы нагружения в логарифмических координатах (см. рис. 5.26), то в момент появления такой трещины линия на­гружения на диаграмме начинает заметно отклоняться вниз. Но этот момент поймать достаточно трудно: нужна жесткая испыта­тельная машина и быстрая реакция человека, который ею управ­ляет.

На рис. 6.12а-в показаны в гораздо большем масштабе про­дольные шлифы по зарождающимся порам. В нижней части у ка­ждой поры видно твердое неметаллическое включение.

Если рассматривать излом рис. 6.11а под растровым электрон­ным микроскопом, то разрушившиеся поры выглядят как ходы, проделанные в дереве древоточцем. Почти в каждой поре можно видеть круглое неметаллическое включение размером порядка

1- 5 мк, похожее на яичко, отложенное насекомым.

(а) вид излома; (6) продольный шлиф с на­чальной трещиной в центре шейки.

Растровый электронный микроскоп позволяет распечатать химический состав любого выбранного включения. Сведения о том, каков химический состав включений, ответственных за образова­ние пор, очень ценны, если нужно выбрать металлургический ме­тод повышения пластичности металла.

В высокопрочных сталях также наблюдается образование пор на границах субзерен без участия неметаллических включений.

В оптический микроскоп включения, на которых образуются поры, могут быть не видны. Но в поляризованном свете на шлифе они обычно сияют, словно разноцветные звездочки. Это мельчай­шие карбиды и карбонитриды, которые образуются на дислока­циях в результате перестаривания металла. Они располагаются вдоль прямых линий (по линии выхода линейного скопления дис­локаций на поверхность шлифа).

На рис. 6.12г показана возможная схема образования таких пор. Если линейное скопление дислокаций остановлено у твердого вклю­чения, то под действием касательных напряжений т и концентра­ции напряжений в таком скоплении металл может оторваться от включения, как показано на рисунке. При дальнейшем растяже­нии образовавшаяся полость вытягивается и растет в направлении максимальных нормальных напряжений ^ (рис. 6.12а-в).

На рис. 6.13а показано, как сливаются друг с другом расту­щие поры. Видно, что в этом случае механизм разрушения анало­гичен механизму, показанному на рис. 6.12.

Происходит разрушение металла с бесконечной пластично­стью в результате потери устойчивости пластических деформа­ций, но только в микроскопическом масштабе, только в объеме металла, находящегося между соседними порами. На рис. 6.136 показано разрушение монокристалла, в котором зародилась внут-

(а) слияние пор в шейке образца рис. 6.10;

(б) пора при растяжении монокристалла.

ренняя пора. При своем росте под действием пластических де­формаций эта пора образовала внутреннюю шейку. Окончатель­ное разрушение произойдет при слиянии внутренней и внешней шеек по кольцевой линии. Так образуется дно «чашечки». По мере роста деформации в шейке круглого образца его диаметр увеличивается.

Но в какой-то момент происходит концентрация сдвигов по конической поверхности, ориентированной под углом 45° ко дну «чашечки» по схеме рис. 6.14г. Только концентратор здесь в виде диска. По этой поверхности сосредоточенного сдвига происходит ускоренное образование и рост мелких пор.

На рис. 6.116 трещина на дне «чашечки» черная. Полоса со­средоточенного сдвига и начала разрушения по стенке чашечки идет от краев этой трещины под углом 45° с одной стороны вниз и влево, с другой — вверх и вправо.

На рис. 6.14 представлена общая схема вязкого разрушения круглого образца при одноосном растяжении. На первой стадии (а) сливаются поры в минимальном сечении шейки. Две последо­вательные стадии этого процесса показаны на схемах (6) и (в). При этом образуется дно «чашечки». Далее происходит потеря устой­чивости деформаций по конической поверхности, которая на схе­ме (а) изображена прерывистыми линиями. Две последователь­ные стадии разрушения металла по стенке «чашечки» — (г) и (д). Зарождаются и растут поры. Сдвиг их поворачивает и вытягива­ет. Далее поры сливаются.

На рис. 6.15 показан шлиф с растущей по стенке чашечки тре­щиной. Вершина ее черная в верхнем правом углу. Под углом 45° к вертикали влево от нее идет полоса интенсивного скольжения, в которой, как черные точки, видны зарождающиеся поры.

На рис. 6.16 показана схема разрушения при растяжении си­лами P пластины с надрезом, длиной l на правой ее кромке. В при- концентраторной зоне А, где существует значительная трехосность напряженного состояния (см. рис. 3.25), обычно образуется вяз­кий излом, перпендикулярный растягивающей нагрузке, такой же, как на дне «чашечки» у круглого образца (рис. 6.146, в). По контуру площадка А прямого излома окаймлена косым изломом, аналогичным рис. 6.14в, г.

Форма контура зоны А соответствует форме одной из изолиний жесткостей напряженного состояния ^, показанных на рис. 3.41.

Далее, при распространении трещины вдоль ширины пласти­ны на участке длиной B, поверхность излома искривлена и посте­пенно переходит в зону C, где поверхность излома практически плоская, но наклонена к оси растяжения под углом 45°. На этом участке излом соответствует схемам рис. 6.14г, д.

Если длина вязкой трещины велика, то местами излом может переходить на разрушение по двум наклонным плоскостям, как показано на нижней схеме рис. 6.6, и потом снова переходить к разрушению по одной наклонной плоскости, но перпендикуляр­ной плоскости излома в зоне С.

Если в вашей практике произойдет авария с таким характером излома, то для выяснения ее причины обязательно нужно найти место, откуда началось разрушение. Обычно это место на изломе имеет характерный вид, соответствующий площадкеAна рис. 6.16.