Рост трещин в условиях коррозии

Практически важным, но пока малоизученным является механизм коррозионного растрескивания под напряжением. Как оказалось, в агрессивной среде, которой может быть и обыкновенная водопроводная вода, рост тре щины может происходить даже при постоянной нагрузке. Скорость роста и время до разрушения зависят от уровня напряжения, степени агрессивности среды и свойств (т.е., химсостава) материала.

На рис. 4.48 приведены кривые изменения коэффициента интенсивностинапряжений со временем пребывания объекта в коррозионноактивной среде при ряде значений внешней нагрузки. На графике отмечены две определяющие характеристики – критическогоK _{I Q} (t) КИН и порогового коррозионного растрескивания под напряжениемK _{0 крн} (K _{I sec} в англоязычной литературе).В процессе работы нагрузка на элемент конструкции может оставаться постоянной, однако, как видно, подрастание трещины за счет коррозии металла вызывает увеличение коэффициента интенсивностинапряжений, в результате повышается скорость растрескивания (). По достижении КИНом критического значения K _{I Q} происходит окончательное разрушение бегущей трещиной. Ниспадающая кривая на рис. 4.48 отражает зависимость времени до разрушения t _f от начального (при t = 0) значения коэффициента интенсивностинапряжений.

4.14Расчетная оценка трещиностойкости элементов конструкции

Сопротивление разрушению элемента конструкции путем распространения трещиныопределяется целым рядом факторов: величиной дефекта, пластическими свойствами материала, абсолютными размерами сечения, температурой, скоростью нагружения, наличием остаточных напряжений и др. В зависимости от характера разрушения должен применяться тот или иной критерий трещиностойкости. На рис. 4.49показаныобласти примененияразличных характеристик сопротивления разрушению в зависимости от величины предельной нагрузки и связанного с ней характера разрушения, а также влияние на них температуры. На этом графике выделяются три зоны, разграниченные первой T_{кр 1} и второй T_{кр 2} критическими температурами хрупкости.

Левой части области 1, ограниченной справа температурой T_{кр 2},отвечает хрупкое разрушение. Величина соответствующего номинального напряжения невелика –

s_с £ (0,5…0,7) s _0,2;

скорость бегущей трещины может достигать порядка 40% скорости звука в материале (что для стали составляет 2…2,5 тыс. метров в секунду), зона пластического деформирования в вершине трещины мала (0,4…0,5 мм), поэтому применимы критерии силового, энергетического и деформационного типов линейной механики разрушения. С увеличением напряжения s_с до (0,7…0,8) s _0,2 зона пластичности также растет, иее уже нельзя считать пренебрежимо малой по сравнению с длиной трещины. При приближении s_с к пределу текучести материала s _0,2следует использовать обсуждавшиеся выше критерии на основе критического значения J –интеграла J_c, предела тре щиностойкости Морозова I_c или критического раскрытия в вершине трещины d_c.

Разрушению более вязкого характера соответствуют предельные нагрузки, превышающие характерную величину F _т (область 2 на рис.4.49), подобного вида разрушение называют квазихрупким. В этих условиях применение подходов ЛМР неправомерно. В качестве критериев достижения предельного состояния используют характеристики J_c, I_c, d_c, а также традиционный ресурс пластичности p_f. В связи со снижением точности расчетного прогноза в этой области разрушающие нагрузки рекомендуется уточнять экспериментально на натурных изделиях или, если это невозможно, на образцах с воспроизведением конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов с последующим пересчетом на конструкцию.

Разрушение элементов сооружений при температуре, превышающей первую критическую T_{кр 1}, носит существенно вязкий характер (область 3, рис.4.49). Деформация в момент разрушения измеряется десятками процентов, приращение длины трещины сравнимо с ее длиной и размерами поперечного сечения детали, скорость распространения трещины, как правило, не превышает 5% скорости звука в материале. Поверхность излома имеет волокнистую структуру; критерии разрушения – относительное поперечное сужение при разрыве y, ресурс пластичности p_f и связанный с ними параметр «утонения» DH (см. схему на рис.4.49).

Таким образом, при оценке трещиностойкостиизделия необходимо знать температуру эксплуатации и уметь определять критические температуры хрупкости конструкции (они указывают на характер разрушения и помогают выбрать соответствующие расчетные зависимости).

Критические температуры хрупкостиобразца , получают экспериментально при статическом и динамическом нагружении, производя торможение трещин в пластинах, в которых создан и поддерживается определенный температурный градиент.На рис.4.50 показана схема испытания плоского образца в «жестких захватах».Предварительным нагружением в системе создается запас потенциальная энергия, затем расклиниванием надреза инициируется бегущая трещина, которая тормозится в областис температурой, соответствующей нарушению энергетического баланса в пользу сопротивления росту трещины (см. подраздел 4.10). Подобные опыты желательно производить либо на реальных деталях, либо на образцах с имитацией конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей, влияющих на характер разрушения.

Влияние названных условий на трещиностойкость эквивалентно сдвигу критических температур. Первую и вторую критическую температуру повышают такие факторы, как концентрация напряжений (на 100…160°), увеличение напрягаемых объемов (120…180°, при этом также происходит сужение интервала D T_кр между критическими температурами), наличие сварных швов (30…50°), деформационное старение материала (до 80° с уменьшением D T_кр), циклический характер нагружения (30…60°), увеличение скорости деформирования. Снижению критических температур хрупкости способствует введение легирующих добавок, в частности, никеля и снижение содержания охрупчивающих примесей (углерода, кислорода, серы, фосфора и др.).

Критические температуры хрупкости конструкции подсчитывают с учетом сдвигов D T_{кр 1}, D T_{кр 2} критических температур, определяемых эксплуатационными, конструктивными, технологическими и другими факторами:

Полученные таким образом критические температуры хрупкости конструкции используются при нахождении разрушающего (критического) напряжений.

1. Если температура эксплуатации не превышает вторую критическую , то разрушающее напряжение можно определять с помощью силового, энергетического и деформационного критериев линейной механики разрушения:

K _I = K _{1 c};

G _I = G _{1 c};

d _I = d _c.

Характер зависимости вязкости разрушения от температуры показан на рис. 4.51; для ее описания может быть использовано выражение

K _{I c} (T) = exp[ A (T_{кр 2}– T*)(T_{кр 2}– T)],

где – минимальное значение вязкости разрушения K _{I c} при температуре T*, соответствующей разрушению без следов макропластической деформации (вэтих условиях предел текучести практически совпадает с пределом прочности, а также с истинным сопротивлением разрыву);

А – характеристика материала, определяет­ся второй критической температурой хрупкости и пределом текучести при T= 0°С.

2. Если температура эксплуатации находится в интервале T_{кр 2}£ T £ T_{кр 1},следует ожидать разрушенияквазихрупкого характера. В этомслучае, как уже было сказано, критическое напряжение, полученное расчетным путем, желательно уточнить, проведя испытания реального изделия или образцов с последующим пересчетом результатов на конструкцию. Учет температуры производится с помощью эмпирической зависимости вида (см. рис. 4.51)

Параметр В зависит от свойств материала, величины напрягаемых объемов, длины трещины, условий испытания; определяется при температуре T = T_{кр 1},

.

Обратите внимание, чтопри сходном характере зависимостей K _{I c} (T) и они смещены друг относительно друга: так проявляется влияние температуры на предел текучести.

Корректировка полученного на образцах критического напряжения (s_с (Т_{кр 1})º )для конструкции производится с помощью соотношений вида

–учет влияния размера поперечного сечения, S_i – площадьсечения;

–учет влияниядлины трещины.

Для оценки опасности хрупкого разрушения машин, аппаратов и сооружений используют критические температуры хрупкости конструкции и номинальное разрушающее напряжение s_с .

Запасы по критическим температурам представляют разности

Превышение запасом по первой критической температуре заданной величины D T_{кр 1}означает, что объект находится в вязком состоянии, поэтому расчет по критерию хрупкого прочности не производится. Запасы D T_{кр 1}должны обеспечиваться для некоторых ответственных конструкций, испытывающие повышенные статические нагрузки. Особого внимания требует ситуация, когда интервал по тем или иным причинам (см. выше) сужен.

В ряде случаев допускается переход конструкции в состояние, при котором разрушение носит квазихрупкий характер. Запас прочности по критическому напряжению s_с определяетсявыражением вида

( – максимальное напряжение в области дефекта, к примеру, с учетом концентрации напряжений).

Отдельные детали из низколегированных высокопрочных сталей могут работать в состоянии, которому отвечает хрупкое разрушение:

Для них запас прочности вычисляют по разрушающим напряжениям, найденным с помощью критериев линейной механики разрушения.

Запасы по критическим температурам D T_{кр 1}, D T_{кр 2} должны быть не менее 20…40°. Бóльшиезначения принимают для сварных конструкций сложной конфигурации, конструкций, подверженных циклическим и динамическим воздействиям, а также для сооружений, работающих при пониженных температурах, особенно, если эксплуатационная температура может оказаться ниже расчетной.

Типичные значения k_c запаса прочности по номинальному критическому напряжению находятся в пределах 1,5…2.Бóльшие величины назначают для изделий из хладноломких низкоуглеродистых сталей или сталей повышенной прочности и пониженной пластичности, чувствительных к перечисленным выше конструктивным, технологическим и эксплуатационным факторам, и обладающих повышенным разбросом прочностных характеристик. Повышенные запасы k_c = 2,2…2.5 принимают для конструкций сложной формы, подверженных статическим и динамическим перегрузкам, поскольку для них точное определение нагруженности представляется затруднительным.

Запасы покритическим температурам икритическим напряжениям можно уменьшить за счет проведения модельных или полномасштабных испытаний на разрушениеотдельных деталей или конструкций целиком.

4.15Обеспечение надежности конструкций с трещинами