Энергетические методы оценки сопротивляемости металлов зарождению и распространению трещин

Энергетические методы связаны преимущественно с испытаниями приз­матических образцов на ударный изгиб и разделением ударной вязкости а_н на работу зарождения а₃, и распространения а_p трещины.

1. Метод Л.С.Лившица и А.С.Рахманова.

Испытывают на ударный изгиб серию призматических надрезанных об­разцов, увеличивая энергию удара на каждом последующим образце, и опреде­ляют угол изгиба образца. Запас энергии маятника увеличивают до уровня, при котором появится трещина. Часть образцов разрушают полностью, определяя затем угол их загиба а_max (рисунок 2.27, 2.28).

а б

Рисунок 2.27 – Схема испытаний

а – до нагружения, б – после нагружения

Рисунок 2.28 – График к определению работы разрушения

,

где ,

А_упр- работа, затраченная на упругую деформацию,

А_деф- работа, затраченная на пластическую деформацию до появление трещины,

А_разр- работа, затраченная на распространение трещины,

F - площадь сечения образца.

2. Метод А.П.Гуляева

Испытывается на ударный изгиб серия образцов, имеющих различные радиусы надреза r (рисунок 2.29).

Рисунок 2.29 – Зависимость работы разрушения от радиуса надреза

По результатам испытаний, при которых регистрируется пол­ная работа А, поглощенная при разрушении, проводится прямая линия BO’ до пересечения с осью ординат

3. Метод Б.А.Дроздовского

В образцах создается усталостная трещина. Затем образцы разрушаются на маятниковом копре. Регистрируемая работа принимается за работу распро­странения трещины:

где A_Н - начальный запас энергии маятника,

А_К - конечный запас энергии маятника,

F - площадь сечения образца.

4. Метод Отани.

Отличается от метода Дроздовского тем, что трещина наносится предварительным ударом копра с малым запасом энергии. Затем трещину окрашивают специальным раствором, чтобы определить оставшуюся площадь сечения образца F. Последующим ударом образец разрушают полностью, фиксируя затраченную энергию

5. Метод тепловой волны

При распространении трещин работа, как известно, затрачивается на пластическую деформацию и образование в пластически деформированном слое остаточных напряжений. Первая часть составляет более 95 % всей работы и превращается в тепло. Таким образом, при движении трещины «мгновенно» выделяется тепло, которое распространяясь, вызовет в точке N₁ изменение температуры. Зная расстояние Х и регистрируя во время опыта Т_max, можно опре­делить энергию, выделившуюся при разрушении (рисунок 2.30).

Рисунок 2.30 – Испытания по методу тепловой волны

Без учета теплоотдачи, которая в данном случае мала из-за небольшой разницы температур между Т_max и окружающим воздухом, в общем виде энер­гия распространения трещины Q:

где сr - объемная теплоемкость.

С использованием образца (см. рис.2.37а) значение G_сд можно опреде­лить по формуле:

где X_A, Y_A - координаты горячего спая, см;

У₂ - длина разрушаемой части образца, см;

Y₁ - величина недорыва, см;

ср - объемная теплоемкость металла образца при температуре испытаний, Дж/см³K;

а - коэффициент температуропроводности, см²/с;

ΔТ - приращение температуры в т.А, К;

t_m - время достижения максимального приращения температуры в т.А отмомента разрушения, с.

Для сталей можно в среднем принять:

ср =3,6Дж/cм^зK;

а = 0,22 см²/с.

При

Функция интеграла вероятности:

.

Для определения численного значения функции используются специальные таблицы.