КОНСТРУКЦИИ со СТАНДАРТНЫМИ ТРЕЩИНАМИ

Продолжение табл. И.4.1

Примечание:

индексы 0; е; /; г, с; m и а обозначают характерные моменты процесса разрушения.

Экспериментальные исследования трещиностойкости конструкции целесообразно начинать с детального анализа данных эксплуатационных разрушений аналогичных серийных изделий. Наиболее ценными являются объективные данные, полученные методами электронной фрактографии изломов, которые позволяют выявить причины поломок. Правильность фрактографического анализа зависит от сохранности эксплуатационных изломов и возможности тщательного изучения их поверхностей в лабораторных условиях.

Следующим этапом исследований является определение картины реальной дефектности рассматриваемой конструкции. Необходимо установить место расположения, число, размеры, форму и направления развития трещин и трещиноподобных дефектов. С этой целью применяют неразрушающие методы дефектоскопии, базирующиеся на использовании рентгеновских лучей, магнитных частиц, проникающих красителей, электросопротивления, ультразвуковой и акустической эмиссии, а также визуального наблюдения. Поскольку ни один из этих методов не способен дать исчерпывающие сведения о поврежденности сложных, например крупногабаритных сварных или литых конструкций, их дополняют разрушающими контрольными испытаниями.

Контрольным испытаниям обычно подвергают сосуды высокого давления, трубопроводы, силовые элементы авиаконструкций и судов, а также быстро вращающиеся детали машин, например, роторы и диски турбогенераторных установок. Первые два типа изделий подвергают гидроиспытаниям под давлением, а последние испытывают на специальных разгонных стендах. Уровень статической нагрузки в контрольных испытаниях подбирают таким образом, чтобы можно было обнаружить и идентифицировать наиболее опасные трещины и трещиноподобные дефекты.

В зависимости от целей испытаний и условий эксплуатации конструкций осуществляют последующее раздельное или совместное исследование ее трещиностойкости при статическом, циклическом и динамическом нап)ужении. При этом определяют характерные значения К\ на стадии затупления трещины, строят кривые сопротивления разрушению А/{ и кинетические диаграммы разрушения (зависимости скорости роста трещин от параметра j), а также устанавливают характерные величины К\ в процессе нестабильного распространения и в момент остановки трещины.

11.4.2. КОНСГРУКЦИИ СО СТАНДАРТНЫМИ ТРЕЩИНАМИ

Испытаниям на трещиностойкость подвергают конструкции, ее натурные элементы и модели. При этом начальные повреждения, напряженное состояние, граничные условия и условия испытаний должны быть близки экстремальному случаю безаварийной эксплуатации конструкций такого типа.

Для обеспечения подобия повреждений в испытаниях и эксплуатации вводится предположение о том, что конструкция содержит, так называемые, максимально необнаруживаемые или регламентированные (допустимые) дефекты типа трещин. Наибольший размер первых для серийных изделий из металлических материалов обычно принимается равным 1 мм. Последний может быть уточнен на основе результатов дефектоскопического контроля поврежденности конструкции. Расположение, ориентация и геометрические параметры регламентированной трещины, обеспечивающие требуемые минимальные величины характеристик трещиностойкости, устанавливаются пу-

тем обобщения данных о трещинах, образующихся в конструкциях рассматриваемого типа вследствие усталостных, коррозионных, производственных и случайных повреждений. Предполагается также, что в наиболее опасном сечении содержигся, по крайней мере, одна необнаруживаемая или регламентированная трещина.

Если оценка статической трещиностойкости конструкции осуществляется без дополнительного исследования усталостного и коррозионного разрушения, то регламентированное повреждение может представлять собой сквозной или поверхностный надрез с инициированной из его вершин усталостной трещиной (рис. 11.4.1). Ее расчетная длина / должна удовлетворять требованиям стандарта [50], а способ и условия выращивания имитировать таковые при экспериментальном режиме эксплуатации конструкции со стабильно развивающейся трещиной.

Моменту / старта трещины предшествует момент О начала раскрытия ее берегов вблизи линии фронта и момент е начала пластического затупления кончика трещины. Для идентификации этих условных моментов в кратковременных или длительных статических испытаниях обычно регистрируют диаграмму (нагрузка Р, нормальная к линии трещины, -относительное смещение v берегов последней) и с помощью того или иного метода убеждаются в отсутствии физических приростов трещины вплоть до момента /. По диаграмме P-v устанавливают значения нагрузки F и смещения V в указанные моменты и вычисляют соответствующие им величины параметра Ki. Последние позволяют рассчитать уровни нагрузки F в моменты е и i при наличии стационарной трещины произвольных размеров.

Изложенный подход к определению сопротивления разрушению конструкций, как и все известные сейчас аналоги, не учитывает

11 f 111

Рис. 11.4.1. Пластина с острым поверхностным надрезом и начальной трещиной длиной /,

возможно существенной зависимости стартовых и достартовых величин параметров разрушения от знака и уровня нагрузки q (см. рис. 11.4.1), действующей вдоль линии трещины. Влияние этой нагрузки на текущие и характерные значения параметра Ki нельзя корректно учесть с помощью теоретических моделей линейной механики разрушения.

11.4.3. КОНСТРУКЦИИ с РАЗВИВАЮЩИМИСЯ ТРЕЩИНАМИ

В большинстве конструкций после старта трещины наблюдается стадия стабильного разрушения, которая обьгшо завершается переходом к нестабильному, а затем динамическому развитию процесса разрушения. Сопротивление конструкции росту трещины характеризуют кривой К л (рис. 11.4.2) либо диаграммами статического (рис. 11.4.3, а) или усталостного (рис. 11.4.3, б) разрушения. По ним определяют параметры разрушения в момент г начала стадии нестабильного роста трещины (см. рис. 11.4.2) и в момент с достижения развивающейся трещиной (рис. 11.4.3, а) некоторой критической скорости , а также

оценивают безопасный срок службы и остаточную прочность конструкции.

Методики построения кривых К л и

диаграмм разрушения по данным испытаний конструкций и образцов из металлических материалов концептуально подобны. Однако геометрию инициирующего надреза и размеры начальной трещины в конструкции можно варьировать, как правило, в более широких

I ИЗ его вершины

Рис. 11.4.2. Схематическое представление кривой Kj( и процедуры графического определения параметра Ki в момент начала нестабильного разрушения (пгтрихом показаны силы /\ - Д ), движущие трещину при

повышающихся уровнях нагрузки Р

диапазонах, чем это допустимо при испытании стандартных образцов. В данном случае указанные параметры целесообразно выбирать такими, чтобы процедура определения сопротивления конструкции разрушению при статическом нагружении совмещалась с оценкой длительности роста трещины от максимально необнаруживаемых до регламентированных размеров. Поэтому в качестве начальных по-врежлений используют, если это возможно, конструктивные концентраторы напряжений с производственными, случайными или специально выращенными поверхностями трещин. Размеры последних должны быть равны, сопоставимы или эквивалентны размерам максимально необнаруживаемых или наиболее типичных для данного изделия трещиноподобных дефектов.

da/dt

da/dN

Рис. 11.4.3. Зависимости скорости роста трепцш от параметра при нагружении:

а - статическом; б - циклическом; Kjq , Кц -

пороговые значения; К\Кц - стартовая величина

К\; iT/c, А/с критические значения К\

Испытуемая конструкция должна подвергаться воздействию некоторого обобщенного спектра нагружения, учитывающего взаимодействие постоянных и повторно-переменных нагрузок, остаточных напряжений, температурных и других физических полей, коррозионных сред и поверхностно-активных веществ. Спектр нагружения устанавливается на основе анализа статистических данных об изменениях напряженно-деформированного состояния рассматриваемой зоны повреждений в процессе изготовления, монтажа, эксплуатахщи и ремонта конструкции. Во время испытаний регистрируют нагрузку и размеры трещины, по которым определяют величины ее приростов и скорости распространения в том или ином направлении. С их помощью строят диаграммы статического или усталостного разрушения.

При достаточно протяженных участках стабильного роста трещины возникает воз-

можность после получения необходимых данных прекратить процесс разрушения и полностью восстановить несущую способность конструкции путем осуществления ремонтных операхщй. В таких случаях для построения соответствующих диаграмм разрушения рекомендуется проводить дополнительные испытания с поочередной реализахщей основных составляющих спектра эксплуатационного нагружения: длительного статического, многоциклового, малоциклового и кратковременного статического нагружения.

Для повышения достоверности оценок характеристик остаточной прочности конструкции надо, чтобы к началу последнего из перечисленных режимов испытаний трещина имела регламентированные размеры. В ходе кратковременных статических испытаний регистрируют диаграммы Р - V, синхронно с ней измеряют приросты трещины. По ним определяют характеристики достартовой и стартовой трещиностойкости конструкции, строят кривые Kj( и устанавливают значения параметров разрушения, соответствующие началу нестабильного роста трещины. Последние позволяют рассчитать остаточную прочность конструкции с трещинами произвольных размеров.

Кратко рассмотрим методы косвенной оценки характеристик сопротивления разрушению конструкций с развивающимися трещинами, которые основаны на фрактографи-ческих исследованиях пространственного расположения бороздок усталости и определении размеров зоны вытяжки. Обычно бороздки и зона вытяжки образуются на изломе металлических материалов в процессе усталостного разрушения. Анализ изменений ширины бороздок в сочетании с данными о режиме нагружения позволяет определять скорость роста трещины, вычислять значения параметра Кх и строить диаграмму усталостного разрушения. По ширине и высоте зоны вытяжки можно приближенно установить стартовое значение раскрытия 5i в вершине острой усталостной

трещины, а также число хщклов нагружения, в течение которых происходило разрушение конструкции. Кроме того, анализ изломов выявляет места инихщирования и наиболее опасные направления роста трещин, а также их критические размеры, соответствующие началу стадии нестабильного разрушения.

11.4.4. ТОРМОЖЕНИЕ И ОСТАНОВКА ТРЕЩИН В КОНСТРУКЦИЯХ

Целью применения описанных вьппе экспериментальных методов является предотвращение нестабильного роста трещины путем ограничения действующих напряжений. По-