Экспериментальное закономерностей разрушения при быстром распространении и ветвлении трещин 01. 02. 06 «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры» 01. 02. 04 «Механика деформируемого твердого (стр. 4 из 5)

В работе впервые получена полная картина поверхности разрушения ПММА по всей ширине образца при быстром распространении и ветвлении трещины. На рис. 7 приведена поверхность разрушения ПММА и схематически описаны механизмы разрушения на различных этапах распространения трещины.

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 s_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 D_max возрастает с увеличением s_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 R_z 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 R_z 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 R_Z и высоты радиальных рубцов H.

Достижение предельной скорости распространения трещины V^* при критическом уровне номинального разрушающего напряжения s^* 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 – R_Z,, H и рельефности радиальных рубцов.

Освобождающийся при продвижении одиночной трещины со скоростью V→V^* 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 V→V^* и ширины образца. Уменьшение расстояние от надреза до точки ветвления трещины с повышением s^* происходит из-за быстрого достижения при этих условиях G^*.