Введение

Фактор интенсивности напряжений, при котором скорость роста трещины резко возрастает.

В материаловедении, трещиностойкость – это критический фактор интенсивности напряжений для заостренной трещины, при котором распространение трещины внезапно становится быстрым и неуправляемым. Толщина компонента влияет на условия ограничения у вершины трещины: для тонких компонентов характерны условия плоского напряжения, а для толстых – условия плоского деформирования. Условия плоского деформирования обеспечивают минимальное значение трещиностойкости, являющееся материальной характеристикой. Критическое значение фактора интенсивности напряжений при нагружении типа I, измеренное в условиях плоского деформирования, известно как трещиностойкость в условиях плоского деформирования и обозначается как K<sub>Ic</sub>. Если испытание не соответствует требованиям к толщине и другим параметрам, необходимым для обеспечения условий плоского деформирования, полученное значение трещиностойкости получает обозначение K<sub>Jc</sub>. Трещиностойкость – это количественная мера сопротивления материала распространению трещин, и стандартные значения для данного материала обычно доступны. Медленное, самоподдерживающееся распространение трещин, известное как коррозионное растрескивание под напряжением, может происходить в коррозионной среде выше порогового значения и ниже определенного предела. Небольшое увеличение длины трещины также может происходить при усталостном растрескивании, которое после многократных циклов нагружения может постепенно увеличивать трещину до окончательного разрушения при превышении трещиностойкости.

Изменение материала

Тип материалаМатериалKIc (МПа · м1/2) МеталлАлюминий 14–28Алюминиевый сплав (7075) 20–35Инконел 718 73–87Маргаринговая сталь (200 класс) 175Стальной сплав (4340) 50Сплав титана 84–107КерамикаОксид алюминия 3–5Карбид кремния 3–5Содоизвестковое стекло 0,7–0,8Бетон 0,2–1,4 ПолимерПолиметилметакрилат 0,7–1,60Полистирол 0,7–1,1 КомпозитКомпозит на основе муллитовых волокон 1,8–3,3Силикагель 0,0008–0,0048 Прочность на разрушение варьируется примерно на 4 порядка величины для разных материалов. Металлы обладают самыми высокими значениями прочности на разрушение. В вязких материалах трещины не могут легко распространяться, что делает металлы высокоустойчивыми к растрескиванию под нагрузкой и обеспечивает большую зону пластической деформации на их диаграмме напряжение-деформация. Керамика имеет более низкую прочность на разрушение, но демонстрирует исключительное увеличение сопротивления разрушению, обусловленное повышением их прочности на 1,5 порядка по сравнению с металлами. Прочность на разрушение композитов, создаваемых путем комбинирования инженерной керамики с инженерными полимерами, значительно превышает индивидуальную прочность на разрушение составляющих материалов.

Границы зерна

Наличие зерен в материале также может влиять на его вязкость, воздействуя на характер распространения трещин. Перед вершиной трещины может формироваться пластическая зона по мере протекания материала. За пределами этой зоны материал остается упругим. Условия для разрушения наиболее благоприятны на границе между пластической и упругой зонами, поэтому трещины часто зарождаются в результате хрупкого разрушения зерна в этом месте. При низких температурах, когда материал может стать полностью хрупким, например, в металлах с объёзно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой, пластическая зона сжимается, и остается только упругая зона. В этом состоянии трещина распространяется путем последовательного хрупкого разрушения зерен. При таких низких температурах предел текучести высок, но деформация при разрушении и радиус кривизны вершины трещины малы, что приводит к низкой вязкости. При более высоких температурах предел текучести снижается, что способствует образованию пластической зоны. Зарождение хрупкого разрушения вероятно на границе упруго-пластической зоны, после чего оно соединяется с основной вершиной трещины. Обычно это сочетание хрупкого разрушения зерен и пластичного разрушения зерен, известного как волокнистая связность. Доля волокнистой связности увеличивается с повышением температуры, пока связность не станет полностью волокнистой. В этом состоянии, несмотря на более низкий предел текучести, наличие пластичного разрушения и больший радиус кривизны вершины трещины приводят к более высокой вязкости.

Методы испытаний

Испытания на трещиностойкость проводятся для количественной оценки сопротивления материала разрушению при наличии тречины. Такие испытания приводят к получению единичного значения трещиностойкости или кривой сопротивления. Кривые сопротивления – это графики, на которых параметры трещиностойкости (K, J и т.д.) отображаются в зависимости от параметров, характеризующих рост трещины. Кривая сопротивления или единичное значение трещиностойкости определяются на основе механизма и стабильности разрушения. Трещиностойкость является критически важным механическим свойством для инженерных применений. Для измерения трещиностойкости материалов используется несколько типов испытаний, которые обычно применяются к образцам с надрезом различной конфигурации. Широко используемым стандартизированным методом является ударный тест по Шарпи, при котором образец с V-образным или U-образным надрезом подвергается ударной нагрузке со стороны надреза. Также широко применяются испытания на раскрытие трещины, такие как трехточечный изгиб балки с предварительно заданными тонкими трещинами в образцах перед приложением нагрузки.

Выбор образца

Стандарт ASTM E1820 для измерения трещиностойкости рекомендует три типа образцов для испытаний на трещиностойкость: образец с односторонним изгибом [SE(B)], компактный образец на растяжение [C(T)] и дисковый компактный образец на растяжение [DC(T)]. Каждая конфигурация образца характеризуется тремя размерами, а именно длиной трещины (a), толщиной (B) и шириной (W). Значения этих размеров определяются требованиями конкретного испытания, проводимого с данным образцом. Подавляющее большинство испытаний выполняется либо в компактной конфигурации, либо в конфигурации трехточечного изгиба. При одинаковых характерных размерах компактная конфигурация требует меньшего количества материала, чем трехточечный изгиб.

Ориентация материала

Ориентация трещины важна из-за присущей большинству инженерных материалов анизотропной природы. Вследствие этого в материале могут существовать плоскости ослабления, и рост трещины вдоль такой плоскости может быть легче, чем в других направлениях. Учитывая эту важность, ASTM разработала стандартизированный способ указания ориентации трещины относительно оси ковки. Буквы L, T и S используются для обозначения продольного, поперечного и коротко-поперечного направлений, при этом продольное направление совпадает с осью ковки. Ориентация определяется двумя буквами: первая указывает направление главного растягивающего напряжения, а вторая – направление распространения трещины. Как правило, нижнее значение вязкости разрушения материала достигается в ориентации, при которой трещина растет в направлении оси ковки.

Определение кривой R, K-R

Образец, демонстрирующий стабильный рост трещин, показывает возрастающую тенденцию к увеличению трещиностойкости с увеличением длины трещины (пластическое течение трещины). График зависимости трещиностойкости от длины трещины называется кривой сопротивления (R). Стандарт ASTM E561 описывает процедуру определения трещиностойкости и кривых роста трещин в материалах. Этот стандарт не устанавливает минимальную толщину материала и, следовательно, может применяться для тонких листов, однако для обеспечения достоверности испытания необходимо выполнение требований LEFM (линейно-упругой механики разрушения). Критерии LEFM по существу требуют, чтобы размеры образца в плоскости были значительно больше пластической зоны. Существует заблуждение относительно влияния толщины на форму кривой R. Считается, что для одного и того же материала более толстая секция разрушается по механизму плоскостного деформирования и демонстрирует однозначное значение трещиностойкости, в то время как более тонкая секция разрушается по механизму плоскостного напряжения и демонстрирует возрастающую кривую R. Однако основным фактором, определяющим наклон кривой R, является морфология разрушения, а не толщина. В некоторых материалах изменение толщины секции приводит к изменению морфологии разрушения от пластического течения до хрупкого разрушения при переходе от тонкой к толстой секции, в этом случае толщина сама по себе определяет наклон кривой R. Встречаются случаи, когда даже при плоскостном деформировании наблюдается возрастающая кривая R из-за того, что основным механизмом разрушения является коалесценция микрополостей. Наиболее точная оценка кривой K<sub>R</sub> требует учета пластичности в зависимости от относительного размера пластической зоны. В случае пренебрежимо малой пластичности по результатам испытания получают кривую зависимости нагрузки от перемещения, и в каждой точке определяется податливость. Податливость является величиной, обратной наклону кривой, которая будет наблюдаться при разгрузке образца в данной точке, и может быть выражена как отношение перемещения к нагрузке для LEFM. Податливость используется для определения текущей длины трещины с помощью соотношения, приведенного в стандарте ASTM. Напряжение в зоне трещины должно быть скорректировано путем расчета эффективной длины трещины. Стандарт ASTM предлагает два альтернативных подхода. Первый метод называется коррекцией пластической зоны Ирвина. Подход Ирвина определяет эффективную длину трещины как…

Подход Ирвина приводит к итерационному решению, поскольку K само по себе является функцией длины трещины. Другой метод, а именно метод секущих, использует уравнение податливости для определения эффективной длины трещины из эффективной податливости, которое приведено в стандарте ASTM. Податливость в любой точке кривой зависимости нагрузки от перемещения по существу является обратной величиной наклона кривой, которая будет наблюдаться при разгрузке образца в этой точке. Кривая разгрузки возвращается в начало координат для линейно-упругого материала, но не для упруго-пластичного материала, поскольку происходит остаточная деформация. Эффективная податливость в точке для упруго-пластичного случая принимается равной наклону линии, соединяющей эту точку с началом координат (т.е. податливость, если бы материал был упругим). Эта эффективная податливость используется для определения эффективного роста трещины, а остальная часть расчета выполняется по уравнению…

Выбор коррекции на пластичность зависит от размера пластической зоны. Стандарт ASTM, регламентирующий кривую сопротивления, допускает использование метода Ирвина для небольших пластических зон и рекомендует использовать метод секущих, когда пластичность в зоне вершины трещины более выражена. Кроме того, поскольку стандарт ASTM E 561 не содержит требований к размерам образца или максимально допустимому удлинению трещины, независимость кривой сопротивления от размеров не гарантируется. Некоторые исследования показывают, что зависимость от размеров менее заметна в экспериментальных данных, полученных с использованием метода секущих.

Определение сопротивления разрыву (испытание на разрыв по методу Кана)

Испытание на разрыв (например, испытание Ка́на) предоставляет полуколичественную оценку вязкости по сопротивлению к разрыву. Для этого типа испытания требуется меньший образец, что позволяет использовать его для более широкого спектра видов продукции. Испытание на разрыв также может применяться для высокопластичных алюминиевых сплавов (например, 1100, 3003), для которых не применимы методы линейно-упругой механики разрушения.

Откат от отклонения трещин

Многие керамические материалы с поликристаллической структурой образуют крупные трещины, которые распространяются преимущественно вдоль границ зерен, а не сквозь сами кристаллы, поскольку прочность границ зерен значительно ниже, чем прочность кристаллов. Ориентация граней границ зерен и наличие остаточных напряжений приводят к тому, что трещина распространяется сложным, извилистым путем, который трудно поддаётся анализу. Простое вычисление дополнительной поверхностной энергии, связанной с увеличением площади границ зерен из-за этой извилистости, не является точным, так как часть энергии, необходимой для образования поверхности трещины, берется из остаточных напряжений.