- •FRACTURE 1977
- •МЕХАНИКА
- •ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •1. ВВЕДЕНИЕ
- •4.1. Оценка методами механики разрушения
- •4.2. Количественное описание «пластического» роста усталостных трещин (тип I)
- •5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •НИЗКИЕ СКОРОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
- •ПОРОГИ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКОГО РОСТА И ОСТАНОВКИ ТРЕЩИНЫ
- •ПАРАМЕТРЫ МАТЕРИАЛА
- •ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕОРИИ
- •РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТРЕЩИН В ТРУБОПРОВОДАХ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ ТОРМОЖЕНИЯ ТРЕЩИН
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •Разрушение при сварке
- •Трещиностойкость в зоне термического влияния (ЗТВ)
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Теория
- •Сравнение теории с экспериментальными данными
- •НЕКОТОРЫЕ НЕДАВНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО МЕХАНИКЕ РАЗРУШЕНИЯ
- •/^-кривая
- •Критерий COD
- •Метод /-интеграла
- •Обсуждение результатов испытаний пластин с центральной трещиной
- •Результаты и обсуждение испытаний компактных образцов на растяжение
- •IV. РАЗРУШЕНИЕ ТИПА II
- •Анализ
- •Испытания и результаты
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •РАЗРУШЕНИЕ
- •8. ОБСУЖДЕНИЕ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •СОДЕРЖАНИЕ:
Дальнейшее упрощение достигается путем перехода к стационарным условиям. Это приводит к обыкновенному диф ференциальному уравнению, решение которого нетрудно по лучить, если известен профиль стационарного давления в трубопроводе. При нахождении решения предполагается, что течение почти аксиальное, а также рассчитывается измене ние площади поперечного сечения трубы с учетом выхода из нее газа через трещину. Заключительная стадия анализа включает в себя вывод выражения для движущей силы рас пространения трещины G из уравнения (1).
В модели Каннинена и др. зависимость G = G(V) была получена в виде функции геометрии трубы и условий экс плуатации. При этом, используя значение энергии динами ческого разрушения, получаемое из испытания на разруше ние падающим грузом (DWTT), можно определить скорости стационарного распространения трещины. Эти значения срав ниваются со скоростями, наблюдаемыми в полномасштабных испытаниях трубопроводов, причем получается весьма прием лемое соответствие. Наиболее важно то, что модель предска зывает максимально возможную движущую силу распростра нения трещины для любых заданных условий эксплуатации. Следовательно, представляется возможным оценить мини мальный уровень энергии разрушения материала труб, при котором может быть гарантирована невозможность катастро фического распространения трещины. Сравнения между пред сказанием этого значения и результатами полномасштабного испытания (основанного на верхнем значении энергии, изме ренном в эксперименте DWTT) обнаруживают неплохое со впадение.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ ТОРМОЖЕНИЯ ТРЕЩИН
Обобщенный критерий остановки трещины может быть записан в терминах динамической движущей силы распро странения трещины и минимального сопротивления, т. е. G < Rm либо К\ <С Km. Из этих критериев следуют две раз личные стратегии обеспечения остановки трещины: 1) встав ка подкрепляющего элемента в конструкцию, уменьшающего G (или К) до значений ниже минимально допустимых, или 2) вставка вязкого элемента на пути движения трещины с Rm (или /Cm), превышающим движущую силу ее распростра нения. Третья стратегия повышения эксплуатационной на дежности конструкций состоит в возведении на пути возмож ного роста трещины дополнительных барьеров, проходящих на всю глубину стенки конструкции. Выбор конструкцион ного оформления барьера на пути роста трещины основы
вается |
главным |
образом |
на экономических соображениях |
(в частности, стоимости |
материалов, изготовления и мон |
||
тажа). |
Другие |
конструктивные решения также возможны, |
но они по сравнению с описанными более индивидуальны и основываются на учете особенностей каждого конкретного случая.
Вообще говоря, соответствующие значения G и Ki при остановке трещины должны выводиться на основе анализа, проводимого в рамках динамической ЛМР с учетом соответ ствующих граничных условий. Оценки, получаемые в рамках статических теорий, справедливы лишь в некоторых частных случаях: 1) в случае бесконечного тела, когда Кт соответ ствует нулевой скорости, 2) когда размеры трещины много меньше размеров тела, 3) когда трещина распространяется на относительно небольшое расстояние. В других случаях при оценке способности данного барьера, или в более широ ком понимании геометрии конструкции, остановить трещину расчеты в рамках статических теорий могут приводить к гру бым ошибкам. В настоящее время оценить то, насколько точным является подход, развиваемый в рамках динамиче ских теорий, не представляется возможным. Фактически эта
проблема |
представляет |
собой очень |
важную |
область |
для |
||||||||
дальнейших исследований. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ |
|
|
|
|
|||||
1. Hahn |
|
G. Т., et |
a l.— Nuclear |
Regulatory |
Commission |
Report |
No. |
||||||
2. |
BMI-1937, August, 1975. |
|
|
Regulatory |
Commission |
Report |
No. |
||||||
Hahn |
|
G. T., et |
al. — Nuclear |
||||||||||
3. |
BMI-1959, October, 1976. |
|
Phys. Solids, |
21 |
(1973), 41. |
|
|
|
|||||
Freund L. B. — J. Mech. and |
STP |
627, |
1977, |
||||||||||
4. |
Nilsson |
F. — In: Fast Fracture and Crack |
Arrest, ASTM |
||||||||||
5. |
Кольский Г. Волны напряжения в твердых телах. — М.: ИЛ, |
1955. |
|||||||||||
6. |
Eftis |
J., |
Krafft |
J. М. — J. |
Basic |
Engng., |
ASME, March, |
1965, p. 257— |
|||||
7. |
263. |
D. — Proc. SESA, 1, |
12 (1954), No. 1, 99—116. |
|
|
|
|
||||||
Post |
(1970), |
106—113. |
|||||||||||
8. |
Bradley |
W. B., |
Kobayashi |
A. S. — Expl.Mech., 10 (3) |
|||||||||
9. |
Irwin |
|
G. R., et |
al. — Nuclear |
Regulatory |
Commission |
Report |
No. |
|||||
10. |
NUREG-75/107, September 1975. |
601, 1976, |
p. 209. |
|
|
|
|
||||||
Hahn |
G. T., et al. — ASTM |
STP |
|
|
|
|
|||||||
11. |
Hahn G. T., et al. — Met. Trans. ASME, 89 |
(1967), 525. |
of dynamic |
stress |
|||||||||
12. |
Kalthoff |
J. F., Beinert J., Winkler S. Measurements |
|||||||||||
|
intensity |
factors for fast |
running and arresting crack in DCB |
speci |
|||||||||
|
mens.— ASTM |
(будет опубликовано). |
|
|
|
|
|
|
|||||
13. Broberg |
К. В. — In: Proceedings |
of ASTM Symposium on Fast Fracture |
|||||||||||
14. |
and Crack Arrest. — Chicago, |
1976. |
|
|
|
|
|
|
|||||
Lucas |
R. A. — Int. J. Solids |
and |
Structures, 5 (1969), 175—190. |
|
|||||||||
15. |
Hahn |
G. T., Hoagland R. G., Rosenfield A. R. — In: Fracture, |
1977 (Ed. |
D. M. R. Taplin), Univ. of Waterloo Press, 1977.
16.Psjpelar C., Rosenfield A. R., Kanninen M. F, — J. Pressure Vessel Tech., 99 (1977), 112.
17. |
Wilkowski |
G. — Battelle’s |
Columbus Laboratories |
(частное |
сообщение). |
||||
18. |
Crosley Р. В., |
Ripling Е. J. — Proceedings |
of |
the |
Second |
Int. Conf. on |
|||
19. |
Pressure Vessel Technology — Part |
II, ASME, |
1973, p. 995. |
|
|||||
Kanninen |
M. F. — Int. J. Fracture, |
10 (1974), 415. |
|
Fracture and |
|||||
20. |
Kanninen |
M. |
F., Popelar |
C., Gehlen P. |
C. — In: Fast |
Crack Arrest. — ASTM STP, 1976.
21.Burns S. J., Bilek Z. J. — Met. Trans., 4 (1974), 975.
22.Malluck J. F., King W. W. — Int. J. Fracture (1976).
23. |
Shmuely |
M., Peretz. D. — Int. |
J. Solids and Structures, |
12 (1976), |
67. |
||
24. |
Aberson |
J. A., Anderson J. M., King |
W. W. — In: |
Fast |
Fracture |
and |
|
|
Crack Arrest, ASTM STP 627, 1976. |
|
|
|
|
||
25. |
Yagawa |
G., Sakai Y., Ando |
Y. — In: |
Fast Fracture |
and |
Crack Arrest, |
|
|
ASTM STP 627, 1976. |
|
|
|
|
|
26.Kobayashi A. S., Emery A. F., Mall S. — In: Fast Fracture and Crack Arrest, ASTM STP 627, 1976.
27.Kanninen M. F., Sampath S. G. — In: Proc. Second Int. Conf. on Pres sure Vessel Technology, Vol. II, 1973, p. 971.
28.Maxey W. A., Eiber R. J., Podlasek R. J., Duffy A. R. — In: Crack
29. |
Propagation |
in Pipelines. — London: Inst. Gas. |
Engng., 1974. |
|
|||
Poynton |
W. |
A. — In: |
Crack Propagation |
in |
Pipelines. — London: Inst. |
||
30. |
Gas. Engng., 1974. |
P. McK., Walker E. |
F. — In: Crack |
Propagation |
|||
Dick J. |
A., |
Jamieson |
|||||
31. |
in Pipelines. — London: Inst. Gas. Engng., |
1974. |
Symposium |
||||
Freund L. B., Parks |
D. M., Rice J. R. — In: |
8th National |
|||||
32. |
on Fracture Mechanics, Providence R. I., August, 1974. |
|
|||||
Erdogan |
F., |
Ratwani M. — Nuc. Engng. Des., 27 (1974), 14. |
|
||||
33. |
Shannon |
R. |
W. E., Wells A. A. — Int. J. Fracture, 10 (1974), 471. |
34.Poynton A. W., Shannon R. W. E., Fearnehough G. D. — J. Engng. Mat. Tech., 96 (1974), 323.
35. Kanninen |
M. F., Sampath S. G., Popelar C. — J. Pressure Vessel Tech., |
|
98 |
(1976), |
56. |
ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Н. Итон, А. Гловер, Дж. Мак-Грат
В статье дается обзор процессов разрушения, происходящих в мате риалах на основе железа во время сварки, в период непосредственно после сварки и при эксплуатации сварного изделия. Обсуждается рас трескивание из-за затвердевания, «снижения пластичности», водородного охрупчивания, расслоения и повторного нагрева при сварке и после нее. Эксплуатационные качества сварных изделий зависят от трещиностойкости различных сварных швов. Подчеркивается важная роль микроструктуры в управлении трещиностойкостью. Область разрушения в сварных кон струкциях можно уменьшить за счет удачного выбора сварочных электро дов и технологии, а также с помощью правильной конструкции сварного соединения.
ВВЕДЕНИЕ
Основным источником разрушения в машиностроительных конструкциях являются сварные соединения. При сварке происходят локальные микроструктурные изменения, кото рые редко принимаются во внимание при анализе поведения конструкций в процессе эксплуатации. При сварке изменяет ся также металлургическое состояние материала, могут со здаваться локальные остаточные напряжения, значительно превышающие расчетное напряжение, и в местах соединения часто образуются необнаруживаемые дефекты. Обычно в об ластях с металлургически чувствительной микроструктурой эти дефекты, а также неудачные конструктивные особенно сти приводят к дополнительной концентрации напряжений. Конструкторы, изготовители и потребители сварных изделий часто не обращают должного внимания на такое совместное влияние различных факторов на разрушение. Многие ката строфические разрушения происходили по этим причи нам [1].
Одним из наиболее важных факторов, вызывающих раз рушение сварных узлов, является наличие скрытых трещин. Возможны трещины в областях материала, свойства которых отличаются от свойств основных материалов, предусматри-
©1978 Pergamon Press Inc.
©Перевод на русский язык, «Мир», 1980
ваемых обычной спецификацией. Трещины могут образовы ваться либо в процессе сварки, либо в течение некоторого времени после нее.
В первой части статьи в общем плане рассматривается образование трещин на стадии изготовления. Во второй ча сти обсуждается сопротивление разрушению металла в свар ном шве и зоне термического влияния, которые являются областями, где главным образом может происходить рас трескивание при изготовлении. Изучение свойств разрушения в зоне сварки проводится, конечно, с целью получить свобод ные от дефектов конструкции. Однако такого идеального состояния дела достичь на практике невозможно. Поэтому к сварным соединениям весьма уместно применить известные соотношения механики разрушения.
РАЗРУШЕНИЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
Дефекты, которые образуются в процессе изготовления конструкции, можно отнести к двум основным классам: одни проявляются при сварке, другие развиваются по окончании сварки и при последующей термической обработке. В первый класс попадают те дефекты, которые описываются как рас трескивание при затвердевании, ликвации или снижении пла стичности [2] и расслоение [3]. Трещины, которые разви ваются после сварки, главным образом связаны с холодным растрескиванием под действием водорода и растрескиванием при снятии напряжений. Последнее происходит в основном при послесварочной термообработке, снимающей остаточное напряжение в сопротивляющихся ползучести сталях.
Разрушение, которое происходит во время сварки, в свою очередь можно отнести к одному из двух подклассов в за висимости от температуры, при которой оно происходит (рис. 1). Растрескивание из-за затвердевания [4] и ликва ции [2] происходит при температурах, близких к темпера туре плавления. Оно характеризуется разделением по грани цам, связанным с микровыделением, ведущим к образованию фаз с более низкими температурами плавления, распреде ляющихся вдоль внутренних границ раздела. Растрескивание из-за снижения пластичности [2] наблюдается при более низ ких температурах и по границам зерен, свободным от при месных пленок. Расслоение [3] связано преимущественно с плохой когезией между выделяемыми неметаллическими включениями и основным материалом.
Разрушения, происходящие после образования сварных соединений, связаны с регулируемым диффузией охрупчива нием и зависят от времени. Водородное растрескивание