Вязкость разрушения стали и характеристики в области вершины трещины

Что измеряет трещиностойкость стали

Трещиностойкость — это сопротивление распространению трещины при заданных состоянии нагружения и уровне стеснения деформации. Это определение намеренно́ уже, чем понятие «прочность». Значение трещиностойкости описывает реакцию тела с трещиной, когда движущая сила в вершине трещины достигает критического уровня или когда трещина начинает распространяться. Оно не описывает все возможные механизмы разрушения стального изделия.

Поэтому приведённое значение всегда относится к определённому методу испытаний, геометрии образца, ориентации трещины, температуре, скорости нагружения и диапазону применимости. K_IC, J_IC, критическое CTOD δ и R-кривая — это взаимосвязанные параметры разрушения, но они не являются взаимозаменяемыми величинами. Пересчёт одного параметра в другой требует соответствующих данных о поведении материала, геометрии и допущениях упругопластической модели.

Сопротивление распространению трещины — не то же самое, что прочность при растяжении

Испытание гладкого образца на растяжение измеряет сопротивление деформации и разрушению по относительно однородному сечению. Предел текучести показывает напряжение, при котором начинается значительная пластическая деформация; временное сопротивление фиксирует максимальное номинальное растягивающее напряжение; удлинение характеризует способность к деформации после начала текучести; а твёрдость служит косвенной мерой сопротивления вдавливанию и в некоторых случаях позволяет приблизительно оценить прочность. Ни один из этих показателей непосредственно не отвечает на вопрос о том, будет ли существующая трещина распространяться.

Более высокий предел текучести не означает автоматически более высокую трещиностойкость. Strong evidence

Это различие важно даже при сравнении сталей с хорошо известными обозначениями, такими как ASTM A36 и ASTM A572 Grade 50. Более высокий предел текучести автоматически не означает более высокую трещиностойкость. Механизмы упрочнения могут повышать предел текучести, одновременно уменьшая допустимую пластическую деформацию в стеснённой вершине трещины, особенно при низкой температуре. Аналогичный эффект может создавать толщина листа, повышая стеснение деформации в вершине трещины. В руководстве Федерального управления автомобильных дорог США по стальным мостам, опубликованном в 2016 году, описано практическое следствие этого явления: для более прочной или более толстой стали может потребоваться повышенная трещиностойкость, поскольку напряжение и стеснение в вершине трещины увеличивают риск разрушения.

Пластичность при растяжении также не может служить заменой. Сталь может демонстрировать достаточно высокое удлинение в гладком стержне, однако наличие надреза, дефекта сварки, слоистой неоднородности или переходного состояния при низкой температуре может привести к хрупкому разрушению. Испытание на твёрдость ещё дальше от проблемы трещины: оно может помочь выявить неоднородность термической обработки, но не позволяет определить K_IC, J_IC или критическое CTOD.

Долговечность при усталости отвечает на другой вопрос. При циклическом нагружении циклическим параметром, определяющим распространение трещины, обычно является диапазон коэффициента интенсивности напряжений ΔK, а не одно значение трещиностойкости при монотонном нагружении. В документе NASA-HDBK-5010, том 2 (2023), для центрально растрескавшейся пластины приведено соотношение для режима I:

K = βσ√(πa)

где β учитывает геометрию, σ — приложенное напряжение, а a — размер трещины, используемый в модели. При циклическом нагружении ΔK изменяется в зависимости от диапазона напряжений и размера трещины. Сталь может сопротивляться быстрому разрушению при определённом значении K и при этом продолжать медленно накапливать усталостное распространение трещины на протяжении тысяч или миллионов циклов.

Вершина трещины как определяющая область

Номинальное напряжение вдали от трещины может быть умеренным, однако локальное поле напряжений и деформаций в вершине трещины может быть очень интенсивным. Острая трещина концентрирует приложенную нагрузку в небольшой области. А. А. Гриффит описал распространение трещины с помощью энергетического баланса: рост происходит, когда уменьшение энергии упругой деформации компенсирует энергетические затраты на образование новых поверхностей разрушения. Позднее Г. Р. Ирвин описал упругое поле в вершине трещины через коэффициент интенсивности напряжений, что позволило связать нагрузку, длину трещины, геометрию компонента и локальную интенсивность деформирования в вершине трещины.

При достаточно малой зоне пластичности линейная механика разрушения рассматривает K как определяющий параметр. В ASTM E399-24 этот подход используется для определения K_IC по металлическим образцам с усталостной предварительной трещиной, испытываемым преимущественно в условиях линейной упругости и плоской деформации. Образец должен быть достаточно большим, чтобы пластичность в вершине трещины оставалась малой по сравнению с его размерами; в противном случае измеренное значение может быть условным результатом, а не действительной трещиностойкостью в условиях плоской деформации.

Это ограничение объясняет, почему образец для испытания на растяжение не может служить моделью для растрескавшегося пояса моста, корпуса сосуда под давлением или сварного соединения. Реальный компонент имеет определённые размер и форму трещины, градиент напряжений, толщину, состояние остаточных напряжений и уровень стеснения деформации. Кроме того, трещина может находиться в основном металле, металле шва или зоне термического влияния. ISO 15653:2018 устанавливает методы оценки трещиностойкости сварных соединений с использованием K, CTOD δ и экспериментального эквивалента J-интеграла; при этом усталостные трещины располагают в соответствующих областях сварного соединения.

Если пластичность в вершине трещины не является малой или однородной, требуются упругопластические методы. J характеризует энергетическую движущую силу в таких условиях, тогда как CTOD измеряет раскрытие в вершине трещины, связанное с заданным событием разрушения. В 2008 году NIST сообщил, что при упругопластических испытаниях учитываются неоднородная пластичность в вершине трещины и сложное распределение напряжений и деформаций при прогнозировании неустойчивого распространения трещины в стали.

Зарождение, стабильное распространение и неустойчивое разрушение

Основной инженерный вопрос заключается не просто в том, «какова трещиностойкость этой стали?». Он формулируется так: если известная трещина подвергается известной нагрузке, останется ли она стабильной, будет ли распространяться стабильно или вызовет быстрое разрушение?

Зарождение трещины — это её первое распространение из исходной трещины. После зарождения материал может выдерживать стабильный рост трещины, поскольку пластическая деформация и такие механизмы, как образование пластических пор, поглощают энергию. Сопротивление может возрастать по мере распространения трещины; такое поведение представляют J-R-кривая, кривая сопротивления по CTOD или другая R-кривая. Если приложенная движущая сила распространения трещины превышает это сопротивление, может последовать неустойчивое разрушение.

ASTM E1820 оценивает поведение при разрушении в режиме I с использованием K, J и CTOD — либо в виде точечных значений, либо в виде кривых сопротивления. ISO 12135:2021 аналогичным образом устанавливает квазистатические методы с использованием K, раскрытия в вершине трещины δ, J и R-кривых для однородных металлических образцов с усталостной предварительной трещиной. ASTM E1290 посвящён критическим значениям CTOD при заданных событиях распространения трещины и особенно актуален для перехода от вязкого к хрупкому разрушению при снижении температуры.

Эти результаты должны оставаться связанными с соответствующим методом испытаний. Значение K_IC, полученное по ASTM E399-24, не следует без обоснования использовать в расчёте конструкции на основе J, а критическое CTOD, определённое при испытании сварного соединения по ISO 15653:2018, не следует рассматривать как универсальное свойство марки стали. На результат влияют стеснение деформации в образце, режим нагружения, температура, расположение трещины, скорость нагружения и выбранное определение понятия «зарождение». Численное значение имеет смысл только вместе с этой сопутствующей информацией об испытании.

Основы механики разрушения: Гриффит, Ирвин и K

Энергетический баланс Гриффита

Стальной компонент не разрушается только потому, что его номинальное напряжение превышает указанное для данной марки предел текучести или предел прочности при растяжении. Трещина изменяет характер задачи: приложенная нагрузка высвобождает упругую энергию деформации по мере распространения трещины, тогда как на образование новых поверхностей разрушения затрачивается энергия. А. А. Гриффит выразил это соотношение в виде энергетического критерия. Распространение трещины становится возможным, когда скорость высвобождения энергии $G$ достигает критического значения материала $G_c$:

$$G\ge G_c$$

Для идеального хрупкого твердого тела Гриффит связал $G_c$ главным образом с поверхностной энергией, необходимой для образования двух новых поверхностей трещины. Реальные стали не являются идеальными хрупкими твердыми телами. Пластическая деформация, образование микропустот, транскристаллитное хрупкое разрушение, перемычки через трещину, остаточные напряжения и другие процессы поглощают дополнительную энергию вблизи вершины трещины. Поэтому измеряемое сопротивление отражает как свойства материала, так и условия, в которых испытывается трещина.

Этот энергетический подход лежит в основе механики разрушения, поскольку связывает нагрузку, размеры трещины и сопротивление ее распространению. Он также объясняет, почему одной прочности недостаточно для описания конструкции с трещиной. Высокопрочная сталь может выдерживать высокое номинальное напряжение, однако достаточно крупный дефект при высоком уровне стеснения деформации способен вызвать разрушение еще до общего текучего состояния. И наоборот, низкопрочная сталь с более высоким сопротивлением распространению трещины может безопаснее выдерживать такой же дефект.

Рассматриваемое сопротивление не является универсальной постоянной марки стали. Температура, скорость нагружения, толщина, напряженное состояние, ориентация трещины, расположение сварного шва и событие, выбранное в качестве разрушения, могут изменять измеряемое значение. Стабильное вязкое разрушение и нестабильное хрупкое разрушение являются различными исходами, даже если они происходят в образцах, изготовленных из одной и той же плавки стали.

Поле напряжений у вершины трещины по Ирвину

Г. Р. Ирвин преобразовал энергетическую концепцию Гриффита в практическое описание упругого поля вокруг вершины трещины. В линейной механике разрушения упругого тела напряжения вблизи вершины приблизительно возрастают обратно пропорционально квадратному корню из расстояния $r$ до вершины:

$${\sigma }_{\mathrm{ij}}\approx \frac{K}{\sqrt{2\pi r}}{f}_{\mathrm{ij}}\left(\theta \right)$$

Здесь $f_{\mathrm{ij}}\left(\theta \right)$ описывает угловое распределение напряжений, а $K$ задает их амплитуду. Математическая сингулярность не приводит к бесконечному напряжению в реальной стали: у вершины образуется пластическая зона, даже если она очень мала. Линейная механика разрушения упругого тела остается применимой, когда эта зона мала по сравнению с размерами образца, размером трещины и оставшейся перемычкой, так что окружающее поле остается преимущественно упругим.

Мода I является основным случаем при оценке разрушения стали. Она раскрывает поверхности трещины за счет растягивающей нагрузки, нормальной к плоскости трещины. Мода II вызывает сдвиг в плоскости, а мода III — сдвиг вне плоскости; в реальных конструкциях возможно смешанное нагружение, однако многие процедуры проектирования и испытаний начинаются с моды I, поскольку именно она часто определяет разрушение при растяжении.

Ирвин также связал поле у вершины трещины с высвобождением энергии. Для линейно-упругого материала:

$$G=\frac{K^2}{E\prime }$$

где $E\prime =E$ при плоском напряженном состоянии и $E\prime =E/(1-{\nu }^2)$ при плоской деформации. Это соотношение показывает, почему критическое значение интенсивности напряжений может характеризовать сопротивление разрушению только в тех случаях, когда упругие допущения и условия стеснения деформации являются приемлемыми. ASTM E399-24 определяет $K_{\mathrm{IC}}$ в условиях преимущественно линейно-упругого поведения и плоской деформации с использованием металлических образцов с предварительно выращенной усталостной трещиной. Требования к размерам и применимости метода предназначены для того, чтобы пластичность у вершины трещины оставалась достаточно малой, а $K_{\mathrm{IC}}$ имел смысловое значение вязкости разрушения в условиях плоской деформации.

Если пластическая деформация не является малой, одного $K$ может быть недостаточно для описания состояния у вершины трещины. ISO 12135:2021 включает $K$, раскрытие вершины трещины $\delta$, $J$ и кривые сопротивления для квазистатических испытаний однородных металлических образцов. ASTM E1820 также использует $K$, $J$ и CTOD — либо как точечные значения, либо как кривые, показывающие сопротивление при стабильном распространении трещины. Эти величины связаны между собой механикой разрушения, однако $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$, CTOD и R-кривая не являются взаимозаменяемыми обозначениями.

Интенсивность напряжений, геометрия и размер трещины

В NASA-HDBK-5010, том 2, коэффициент интенсивности напряжений для моды I в пластине с центральной трещиной задается выражением

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$$

где $\sigma$ — приложенное номинальное напряжение, $a$ — размер трещины, используемый в принятой для данной геометрии системе обозначений, а $\beta$ — поправочный коэффициент геометрии. Для центральной сквозной трещины $a$ обычно обозначает половину длины трещины; в других конфигурациях размер трещины определяется иначе. Уравнение непосредственно показывает характер взаимосвязи: удвоение напряжения удваивает $K$, тогда как учетверение размера трещины также удваивает его.

$\beta$ не является постоянной материала и не характеризует марку стали, твердость или трещиностойкость. Он учитывает конечную ширину, краевые эффекты, форму трещины, конфигурацию образца и схему нагружения. Образец для испытания на компактное растяжение, образец для испытания на изгиб с одной краевой трещиной и широкая пластина с центральной трещиной могут быть изготовлены из одной и той же стали и иметь одинаковые напряжение и номинальную длину трещины, но при этом давать различные коэффициенты интенсивности напряжений из-за различий в поправках на геометрию. В руководстве AFGROW по оценке ресурса при наличии повреждений описан тот же принцип: упругий отклик у вершины трещины зависит от нагрузки, геометрии и размеров трещины.

При циклическом нагружении NASA определяет $\Delta K$, диапазон изменения интенсивности напряжений в течение цикла нагрузки, как управляющий параметр роста усталостной трещины в рамках применимой модели линейной механики разрушения упругого тела. Поэтому разрушение может произойти после того, как трещина вырастет под воздействием повторяющихся нагрузок, даже если исходное напряжение было ниже уровня, вызывающего окончательное статическое разрушение.

Условие $K=K_{\mathrm{IC}}$ имеет смысл только тогда, когда образец и нагружение соответствуют требованиям применимого стандарта. В руководстве FHWA по стальным мостам сочетания размера трещины и напряжения ниже $K=K_{\mathrm{IC}}$ описываются как стабильные в рамках данной модели, а не как универсально безопасные. В толстых сечениях и высокопрочных сталях может возникать большее стеснение деформации у вершины трещины, что снижает способность пластической деформации затуплять трещину. Сварной металл, границы сплавления и зоны термического влияния требуют отдельного рассмотрения; ISO 15653:2018 охватывает оценку вязкости разрушения сварных соединений с использованием $K$, CTOD $\delta$ и экспериментального эквивалента $J$-интеграла. Поэтому заявленное значение необходимо рассматривать с учетом метода его определения, геометрии образца, расположения трещины, температуры, скорости нагружения и ограничений применимости.

Когда KIC и LEFM применимы к стали

ASTM E399-24 и трещиностойкость при плоской деформации

ASTM E399-24 устанавливает специальную методику измерения трещиностойкости при плоской деформации, $K_{\mathrm{IC}}$, для металлических материалов. В ней используются образцы с усталостной предварительно созданной трещиной, нагружаемые преимущественно по Моде I в условиях, при которых отклик остается главным образом линейно-упругим. Полученный результат — это не просто «трещиностойкость стали». Это аттестованный параметр материала только в том случае, если образец, трещина, температура, скорость нагружения и требования к достоверности результата соответствуют модели плоской деформации.

Это различие имеет значение, поскольку $K_{\mathrm{IC}}$ характеризует интенсивность напряжений при нестабильном распространении трещины в условиях высокой стесненности деформации в вершине трещины. Этот параметр не измеряет предел текучести, твердость, пластичность или сопротивление усталости. Сталь может обладать высокой прочностью при растяжении и одновременно демонстрировать низкое сопротивление распространению трещин при низкой температуре. И наоборот, сталь с умеренной прочностью может выдерживать трещину большего размера, если ее микроструктура и условия испытания обеспечивают более высокую трещиностойкость.

Основой служит энергетический критерий А. А. Гриффитса: трещина распространяется, когда упругая энергия, высвобождаемая при небольшом приращении трещины, достаточна для образования новых поверхностей разрушения. Г. Р. Ирвин описал упругое поле напряжений вблизи вершины трещины с помощью коэффициента интенсивности напряжений $K$. Для пластины с центральной трещиной в NASA-HDBK-5010, том 2, соотношение для Моды I записано в виде

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a},$$

где $\beta$ учитывает геометрию, $\sigma$ — приложенное напряжение, а $a$ — размер трещины, используемый в соответствии с выбранной системой обозначений. Уравнение показывает, почему значение трещиностойкости нельзя рассматривать отдельно от размера трещины, напряжения и геометрии. В AFGROW реакция вершины трещины в упругом режиме также рассматривается как функция нагрузки, геометрии и размеров трещины.

Таким образом, достоверный результат $K_{\mathrm{IC}}$ представляет собой предельный параметр разрушения, а не универсальную константу для определенной марки стали. Результат применим к заданным условиям Моды I и плоской деформации. Его не следует напрямую подменять значениями $J_{\mathrm{IC}}$, CTOD или параметром R-кривой. ASTM E1820 позволяет оценивать трещиностойкость по Моде I с использованием $K$, $J$ и CTOD, включая точечные значения и кривые сопротивления, тогда как ISO 12135:2021 охватывает квазистатические методы с использованием $K$, перемещения при раскрытии вершины трещины $\delta$, $J$ и кривых сопротивления. Эти методы предназначены для случаев, когда упругопластическое поведение в вершине трещины имеет существенное значение.

Условия маломасштабной текучести и ограничения пластической зоны

Механика линейно-упругого разрушения (LEFM) предполагает, что большая часть образца остается упругой, а пластическая деформация локализована в небольшой области непосредственно перед вершиной трещины. Эта область, обычно называемая пластической зоной в вершине трещины, должна быть малой по сравнению с толщиной образца, перемычкой, длиной трещины и другими размерами, определяющими условия испытания. Если она становится слишком большой, измеренная нагрузка уже не характеризует преимущественно упругое поле в вершине трещины. Результат по-прежнему может описывать испытанную геометрию, но он не является аттестованным значением $K_{\mathrm{IC}}$ для условий плоской деформации.

Физическая причина этого очевидна. Пластическая деформация затупляет вершину трещины, перераспределяет напряжения и ослабляет сингулярное упругое поле, предсказываемое решением Ирвина. В условиях маломасштабной текучести измененная область достаточно мала, поэтому $K$ по-прежнему характеризует окружающее поле. Когда пластическая зона занимает существенную часть перемычки или толщины образца, одного упругого параметра уже недостаточно для точного описания состояния в вершине трещины.

Увеличение приложенного напряжения приводит к увеличению пластической зоны. То же происходит при снижении предела текучести. Тонкий образец также допускает большую деформацию по толщине и пластическую релаксацию по сравнению с толстым образцом. Эти эффекты могут привести к кажущемуся увеличению нагрузки разрушения, хотя результат отражает снижение стесненности деформации, а не более высокое внутреннее сопротивление распространению трещины. Называть такой результат $K_{\mathrm{IC}}$, не выполнив требования стандарта к достоверности, означает переоценивать доказательную силу испытания.

Когда событие определяется упругопластическим поведением, обычно более информативны $J$, CTOD или кривая сопротивления. ASTM E1290 посвящен критическим значениям CTOD при заданных событиях распространения трещины и особенно полезен для сталей, демонстрирующих переход от вязкого к хрупкому разрушению при снижении температуры. ISO 15653:2018 распространяется на соответствующие методы определения трещиностойкости сварных соединений, включая усталостные трещины, расположенные в металле шва и зоне термического влияния. Такое расположение может иметь не меньшее значение, чем номинальное обозначение листового проката.

Стесненность деформации, толщина и достоверность образца

Стеснение деформацииСтеснение деформации Степень, в которой окружающий материал ограничивает пластическую деформацию у вершины трещины; большее стеснение обычно способствует формированию трёхосного напряжённого состояния и может снижать кажущуюся трещиностойкость.

Стесненность деформации характеризует степень, с которой окружающий материал препятствует пластическому течению в вершине трещины. Плоская деформация, обычно обеспечиваемая большей толщиной и достаточно большой оставшейся перемычкой, создает большее ограничение, чем плоское напряженное состояние. Более высокая степень стесненности подавляет пластическую релаксацию и может снижать кажущуюся трещиностойкость, измеренную при испытании. Поэтому одна и та же сталь может давать разные значения трещиностойкости в тонких и толстых сечениях, а также в образцах с разной ориентацией трещины и разными размерами перемычки.

Толщина — не второстепенная деталь испытания. Она изменяет напряженное состояние по толщине сечения и влияет на то, испытывает ли вершина трещины трехосную стесненность, необходимую для интерпретации в условиях плоской деформации. Геометрия образца также имеет значение: компактные образцы на растяжение и образцы для изгиба с предварительной трещиной у кромки могут создавать разные сочетания длины трещины, размера перемычки, изгиба и стесненности деформации. Результат, полученный для одной геометрии, не следует переносить на конструктивный элемент без проверки соответствующих условий в вершине трещины.

Рекомендации FHWA по стальным мостам формулируют конструктивное следствие непосредственно: сочетания размера трещины и напряжения, при которых $K<K_{\mathrm{IC}}$, являются устойчивыми в рамках применимой модели механики разрушения, тогда как для сталей повышенной прочности и большей толщины может потребоваться более высокая трещиностойкость, поскольку напряжение и стесненность деформации в вершине трещины повышают риск разрушения. В этих рекомендациях не устанавливается одно численное ограничение, зависящее от марки стали и применимое к каждому мостовому узлу. Инженеры должны оценивать фактический размер дефекта, диапазон напряжений, геометрию, толщину, прочность стали, температуру и допущения, связанные с контролем.

Поэтому сообщаемое значение следует маркировать по его статусу. Аттестованное значение $K_{\mathrm{IC}}$ соответствует установленным требованиям к плоской деформации и достоверности образца. Условное значение, часто обозначаемое как $K_Q$, представляет собой измеренный результат разрушения, для которого выполнение этих требований не продемонстрировано. Значение для упругопластического состояния, зависящее от геометрии, может быть полезным для данного образца и схемы нагружения, но оно не взаимозаменяемо с $K_{\mathrm{IC}}$. Температура, скорость нагружения, ориентация трещины, расположение сварного шва и стабильное распространение трещины могут изменить определяющий результат до возникновения нестабильного разрушения. Поэтому характеристики поведения в вершине трещины необходимо сопоставлять с параметром и моделью достоверности, используемыми при проектировании.

Упругопластическая трещиностойкость: J, CTOD и R-кривые

Линейная механика разрушения упругого тела (LEFM) применима, когда пластическая зона у вершины трещины мала по сравнению с образцом и оставшимся размером перемычки. В этих условиях коэффициент интенсивности напряжений $K$ описывает интенсивность упругого поля у вершины трещины, а $K_{\mathrm{IC}}$ может характеризовать трещиностойкость при плоской деформации. Стандарт ASTM E399-24 определяет $K_{\mathrm{IC}}$ на металлических образцах с усталостной предварительной трещиной в условиях, преимущественно соответствующих линейной упругости и плоской деформации. Требования к применимости этого стандарта — не административная формальность: если пластичность распространяется на слишком большую часть перемычки, указанное значение $K_{\mathrm{IC}}$ не является достоверным предельным значением материала при плоской деформации.

При возникновении текучести стали вокруг трещины поле у её вершины становится неоднородным, и одной величины $K$ уже недостаточно для адекватного описания приложенной нагрузки. Пластическая деформация поглощает энергию, изменяет стеснение у вершины трещины и может вызывать стабильное вязкое разрушение до наступления нестабильного разрушения. В обсуждении разрушения стали, опубликованном NIST в 2008 году, испытания в упругопластической области описываются как способ учёта сложных распределений напряжений и деформаций и повышения точности прогнозирования нестабильного распространения трещины. Поэтому результатом может быть значение J, значение CTOD или целая кривая сопротивления, а не единственное значение $K_{\mathrm{IC}}$.

ASTM E1820 и сопротивление на основе J

J-интеграл представляет собой параметр, характеризующий движущую силу упругопластической трещины. Физически он соответствует энергии, доступной для распространения трещины, в расчёте на единицу вновь образованной площади поверхности трещины; его единицы измерения — энергия на единицу площади, обычно ${\text{kJ/m}}^2$ или $\text{N/mm}$. Для достаточно стеснённой трещины, в условиях когда J-поле характеризует деформирование вблизи вершины, J может описывать интенсивность как упругого, так и пластического нагружения вершины трещины. Это не просто другое название $K$.

В предельном случае линейной упругости параметры связаны, например, соотношением

$$J=\frac{K^2}{E\prime }$$

где $E\prime =E$ для плоского напряжённого состояния и $E\prime =E/(1-{\nu }^2)$ для плоской деформации. Это уравнение не делает J и K взаимозаменяемыми в общем случае. Оно применимо к упругой составляющей при определённых допущениях; пластическая работа, геометрия образца, распространение трещины и стеснение могут приводить к различному поведению измеряемых величин.

ASTM E1820 устанавливает процедуры для деформации I типа с использованием K, J и CTOD, которые представляются либо в виде точечных значений, либо в виде кривых сопротивления. Распространёнными конфигурациями являются компактный образец на растяжение, или C(T), и образец для изгиба с предварительной трещиной с одной стороны, или SE(B). Испытание начинают с образца с усталостной предварительной трещиной, после чего при нагружении трещины регистрируют нагрузку и перемещение. Для оценки распространения трещины и разделения упругого и пластического вкладов в J могут использоваться изменения податливости, процедуры разгрузки или измерения после испытания.

Таким образом, такое значение, как $J_{\mathrm{IC}}$, является условным. Оно зависит от определений начала разрушения, размера образца, подготовки трещины, обработки данных и критериев применимости, установленных стандартом. Небольшой образец может дать полезный результат для предварительной оценки, но не соответствовать требованиям к размеру или стеснению, необходимым для переноса значения начальной трещиностойкости на другие условия. Та же осторожность необходима при оценке сварных соединений: ISO 15653:2018 рассматривает трещины, расположенные в металле шва и зонах термического влияния, и использует K, CTOD $\delta$ и экспериментальный эквивалент J-интеграла. Значения, полученные для основного металла, нельзя автоматически использовать вместо значений для этих зон.

CTOD как раскрытие вершины трещины

CTOD, обозначаемый $\delta$, измеряет раскрытие вершины трещины. В отличие от описания опасности трещины через поток энергии или амплитуду упругого поля напряжений, этот параметр показывает, на какое расстояние расходятся две поверхности трещины вблизи исходной вершины. В стали, претерпевающей текучесть, это раскрытие включает эффекты затупления вершины трещины и пластической деформации. Критическое значение CTOD достигается при наступлении заданного события разрушения или распространения трещины.

Поэтому CTOD особенно полезен при значительной пластичности и в тех случаях, когда описание через перемещение хорошо соответствует наблюдаемому вязкому разрушению. ASTM E1290 посвящён критическим значениям CTOD при заданных событиях распространения трещины и особенно актуален для сталей, претерпевающих переход от вязкого к хрупкому разрушению при снижении температуры. При испытании при низкой температуре перед хрупким разрушением по механизму скола может наблюдаться лишь незначительное стабильное вязкое разрушение, тогда как при более высокой температуре возможно затупление вершины с последующим вязким распространением трещины. Выбор регистрируемого события имеет значение.

CTOD и J связаны моделями механики разрушения и процедурами преобразования, установленными конкретными стандартами, однако они измеряют разные величины. Значение CTOD нельзя автоматически преобразовать в $J_{\mathrm{IC}}$ без допущений относительно поля у вершины трещины, предела текучести, геометрии и режима деформирования. CTOD также не равен $K_{\mathrm{IC}}$. ISO 12135:2021 рассматривает K, CTOD $\delta$, J и кривые сопротивления в рамках единой квазистатической методики для однородных металлических образцов, однако наличие общей методики не устраняет различий между определениями этих параметров.

Кривые сопротивления и точечные значения

R-кривая регистрирует сопротивление разрушению по мере распространения трещины. Горизонтальной переменной обычно является стабильное приращение трещины, $\Delta a$; вертикальной переменной может быть J, CTOD или другой разрешённый параметр механики разрушения. Кривая может возрастать вследствие затупления трещины и пластического деформирования, после чего для продолжения вязкого разрушения требуется всё большая движущая сила. Её наклон содержит информацию, которую невозможно получить из единственного значения начала разрушения.

Это различие особенно важно для вязких конструкционных сталей. Точечное значение может определить начало существенного распространения трещины, тогда как R-кривая показывает, способен ли образец выдержать дополнительное стабильное вязкое разрушение до того, как приложенная движущая сила достигнет этой кривой. Пересечение приложенной движущей силы J или CTOD с возрастающей кривой сопротивления может указывать на стабильное распространение; последующее уменьшение разрыва между движущей силой и сопротивлением может свидетельствовать о нестабильном разрушении. Результат зависит от геометрии и стеснения, поэтому он не является универсальной характеристикой марки стали.

На кривую влияют температура, скорость нагружения, толщина, расположение зоны сварного соединения, ориентация трещины и геометрия образца. Результаты для C(T) и SE(B) могут различаться даже в том случае, если образцы вырезаны из одной и той же плавки стали. Указание «трещиностойкости» без обозначения параметра, определения распространения трещины, температуры испытания, скорости нагружения и пределов применимости является неполным. ASTM E1820, ISO 12135:2021 и ISO 15653:2018 устанавливают процедуры, но не дают оснований считать данные по J, CTOD, K и R-кривым взаимозаменяемыми.

Температура, вязко-хрупкий переход и пластичность в вершине трещины

Температурно-зависимое поведение при разрушении

Температура может смещать характер разрушения стали от вязкого разрушения с отрывом к хрупкому транскристаллитному разрушению. Strong evidence

Сталь не обладает единственным фиксированным значением трещиностойкости при любых эксплуатационных условиях. Изменение температуры влияет на соотношение между пластической деформацией в вершине трещины и хрупким разрушением по механизму скола. При снижении температуры движение дислокаций во многих ферритных и низколегированных сталях затрудняется. Вершина трещины, которая ранее могла затупиться за счёт пластического течения, может вместо этого достичь критического напряжения, вызывающего быстрое разрушение по механизму скола. В результате в сравнительно узком температурном интервале может произойти резкий переход от стабильного вязкого развития трещины к нестабильному хрупкому разрушению.

Это явление обычно называют вязко-хрупким переходом (DBT). Оно особенно важно для ферритных сталей с объёмноцентрированной кубической решёткой, включая многие марки, применяемые в мостах, оборудовании, работающем под давлением, трубопроводах и строительных конструкциях. Аустенитные нержавеющие стали, как правило, не демонстрируют столь выраженного перехода при обычной эксплуатации, поскольку их гранецентрированная кубическая структура сохраняет более высокую пластичность при низких температурах. Однако состояние сплава, термическая история сварки, скорость нагружения и окружающая среда по-прежнему влияют на характер разрушения.

Поэтому значение трещиностойкости, измеренное при комнатной температуре, нельзя автоматически переносить на конструкцию, работающую при отрицательной температуре. Необходимо также учитывать движущую силу трещины. В документе NASA-HDBK-5010, том 2, коэффициент интенсивности напряжений для центральной трещины в пластине при режиме I выражается следующим образом:

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$$

где $a$ — размер трещины, $\sigma$ — приложенное напряжение, а $\beta$ — поправочный коэффициент, учитывающий геометрию. Температура явно не входит в это уравнение, однако она изменяет сопротивление материала, с которым сравнивается $K$. При двух температурах конструкция может испытывать одинаковые номинальные напряжение и размер трещины, но иметь совершенно различный запас до разрушения.

Температурный эффект также зависит от скорости нагружения. Более быстрое нагружение оставляет меньше времени для пластической релаксации и может сместить наблюдаемое переходное поведение в область более высоких температур. Ограничение деформации оказывает аналогичный эффект. Толстые сечения, глубокие трещины, острые фронты трещин и жёстко закреплённые сварные соединения подавляют деформацию в вершине трещины, повышая вероятность скола по сравнению с тем, что можно было бы предположить по результатам испытания тонкого образца с неглубокой трещиной.

Критическое CTOD и стали, чувствительные к переходу

Раскрытие вершины трещины, или CTOD $\delta$, характеризует раскрытие, связанное с деформацией вблизи вершины трещины. Критическое CTOD не является общей характеристикой марки стали. Это измеренное значение, связанное с конкретным событием разрушения, геометрией образца, температурой, скоростью нагружения и расположением трещины.

ASTM E1290 рассматривает критическое CTOD при заданных событиях развития трещины и особенно применим к металлическим материалам, претерпевающим вязко-хрупкий переход при снижении температуры. В зависимости от процедуры и интерпретации событие может соответствовать началу стабильного развития трещины, заданной величине её удлинения или нестабильному разрушению. Поэтому для приведённого значения ${\delta }_c$ необходимо указывать определение соответствующего события; значения, относящиеся к разным событиям, нельзя считать взаимозаменяемыми.

При более высоких температурах ферритная сталь может демонстрировать значительное затупление вершины трещины, за которым следует стабильное вязкое развитие трещины. В этом случае CTOD можно интерпретировать совместно с кривой сопротивления, которая отражает рост сопротивления разрушению по мере развития трещины. При более низких температурах та же сталь может демонстрировать лишь незначительное стабильное развитие трещины перед сколом. Соответствующее значение CTOD может резко снизиться, а единственное точечное значение может скрывать переход от поведения, контролируемого развитием трещины, к разрушению, контролируемому сколом.

ASTM E1820 допускает оценку разрушения при режиме I с использованием $K$, $J$ и CTOD — как в виде точечных значений, так и в виде кривых сопротивления. ISO 12135:2021 также устанавливает квазистатические методы с использованием интенсивности напряжений, CTOD $\delta$, $J$-интеграла и кривых сопротивления для однородных металлических образцов с усталостной трещиной. Эти параметры описывают взаимосвязанные явления в вершине трещины, но не являются численно взаимозаменяемыми. Параметр $K$ подходит преимущественно для упругих полей; $J$ и CTOD более полезны при развитии значительной пластичности.

Это различие становится принципиально важным для сварной стали. ISO 15653:2018 охватывает испытания трещиностойкости сварных соединений с усталостными трещинами, расположенными в металле шва или в зонах термического влияния, и использует $K$, CTOD $\delta$ и экспериментальный эквивалент $J$-интеграла. В сварном соединении могут присутствовать крупнозернистый материал зоны термического влияния, включения, остаточные напряжения, градиенты твёрдости и локальные хрупкие зоны. Поэтому результат CTOD для сварного соединения может существенно отличаться от результата для основного металла листа, даже если оба материала имеют одно и то же номинальное обозначение стали.

Упругопластическое и динамическое разрушение

Механика разрушения линейно-упругих материалов применима, когда зона пластичности в вершине трещины остаётся малой по сравнению с размерами образца и характерными размерами рассматриваемой геометрии трещины. ASTM E399-24 использует этот подход для определения $K_{\mathrm{IC}}$ в условиях преимущественно линейно-упругого деформирования и плоской деформации на металлических образцах с усталостной трещиной. Требования к применимости имеют принципиальное значение. Значение, не соответствующее этим требованиям, не является действительным $K_{\mathrm{IC}}$ при плоской деформации, даже если в результате испытания была получена визуально качественная поверхность излома.

При значительной пластичности поле в вершине трещины нельзя адекватно представить одним упругим значением коэффициента интенсивности напряжений. $J$-интеграл, CTOD и кривые сопротивления позволяют учитывать упругопластическую деформацию и стабильное развитие трещины, однако их интерпретация по-прежнему зависит от степени стеснения деформации и размеров образца. Неоднородное текучее состояние создаёт градиенты по толщине и вдоль фронта трещины. Локальная деформация может концентрироваться в одной области, тогда как другие области остаются преимущественно упругими.

В работе NIST 2008 года о динамическом разрушении стали объясняется, почему испытания трещиностойкости в упругопластической области необходимы, когда неоднородная пластичность в вершине трещины и сложные распределения напряжений и деформаций влияют на нестабильное распространение трещины. При ударном или быстро возрастающем нагружении реакция в вершине трещины может отличаться от наблюдаемой в квазистатическом испытании, поскольку взаимодействуют пластическое течение, распространение волн, инерция и скорость распространения трещины. Поэтому статические данные о трещиностойкости могут завышать или занижать сопротивление, доступное в реальном процессе.

Таким образом, каждый значимый результат определения трещиностойкости должен содержать сведения об используемом параметре и стандарте, температуре, скорости нагружения, геометрии образца, толщине и степени стеснения деформации, ориентации и расположении трещины, состоянии сварного соединения, если это применимо, а также о пределах применимости. Без этих сведений утверждение «трещиностойкость стали» является неполным.

Сварные соединения, зоны термического влияния и локальные характеристики у вершины трещины

Сварной стальной компонент не обладает единственным автоматически переносимым значением трещиностойкости. Основной металл, металл шва, граница сплавления и зона термического влияния (ЗТВ) могут иметь различный химический состав, структуру зерна, остаточные напряжения и ограничения деформации у вершины трещины. Поэтому результат определения трещиностойкости для основного металла не может характеризовать сварное соединение, если не доказано, что положение трещины, технология сварки, термическая история и условия испытания являются репрезентативными.

ISO 15653:2018 для определения трещиностойкости сварных соединений

ISO 15653:2018 устанавливает методы испытаний сварных металлических компонентов на трещиностойкость с использованием коэффициента интенсивности напряжений $K$, раскрытия вершины трещины $\delta$ (CTOD) и экспериментально определяемого эквивалента интеграла J. Эти параметры описывают различные аспекты поведения у вершины трещины. Параметр $K$ наиболее применим, когда деформация остается достаточно упругой и имеет место маломасштабная пластичность. CTOD характеризует раскрытие, связанное с упругопластической деформацией у вершины трещины. J представляет энергию, доступную для распространения трещины, и полезен, когда пластичность слишком велика для корректной линейно-упругой интерпретации.

Этот стандарт не является простой таблицей значений трещиностойкости для различных классов сварных соединений. Он устанавливает методы изготовления и испытания образцов, в которых усталостные трещины преднамеренно располагают в определенных областях сварного соединения. Такое расположение является частью результата. Образец, испытанный с трещиной в наплавленном металле шва, дает ответ на иной вопрос, чем образец, в котором трещина проходит по ЗТВ или пересекает границу сплавления.

Это различие имеет значение, поскольку сообщаемое значение CTOD или J имеет смысл только с указанием температуры испытания, скорости нагружения, геометрии образца, ориентации трещины, ее положения и оценки достоверности результата. Результат для сварного соединения, полученный по одной технологии, нельзя автоматически распространять на каждое соединение, выполненное из стали с тем же номинальным обозначением. Тепловложение, температура между проходами, условия защиты, сварочные материалы, последовательность проходов, степень стеснения, послесварочная термическая обработка и ремонтная сварка могут изменять локальное поведение у вершины трещины.

Поэтому ISO 15653:2018 следует рассматривать совместно с общими стандартами по механике разрушения, применяемыми к однородным металлам. ISO 12135:2021 охватывает квазистатические методы, основанные на $K$, $\delta$, J и кривых сопротивления, тогда как ASTM E1820 оценивает поведение в режиме I с использованием $K$, J и CTOD, включая как точечные значения, так и кривые сопротивления распространению трещины. Эти методы не делают $K$, J и CTOD взаимозаменяемыми. Критическое значение CTOD при заданном событии распространения трещины не является тем же свойством, что $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ или R-кривая.

Металл шва и зона термического влияния

Металл шва затвердевает из расплавленной ванны и может содержать столбчатые зерна, полосы ликвации, включения и участки повторного нагрева, образующиеся при последующем наложении проходов. Его трещиностойкость зависит от состава наплавленного металла и термического цикла сварки, а не только от номинального обозначения основного металла. Контроль водорода, скорость охлаждения, доля расплавленного основного металла и химический состав сварочных материалов могут влиять на формирующуюся микроструктуру и вероятность хрупкого разрушения по механизму скола или вязкого разрушения с распространением трещины.

Зона термического влияния (ЗТВ)Зона термического влияния (ЗТВ) Область основного металла рядом со сварным швом, микроструктура и свойства которой изменились под воздействием теплоты сварки, но которая не расплавилась.

ЗТВ также не является однородным материалом. При удалении от границы сплавления она может включать крупнозернистую, мелкозернистую, межкритическую и субкритическую области. В крупнозернистой ЗТВ трещиностойкость может снижаться, если пиковые температуры способствуют росту зерна, а последующее охлаждение приводит к формированию менее благоприятной структуры превращения. Мелкозернистая область может реагировать иначе, тогда как межкритическая зона может содержать смешанные превращенные и непревращенные участки. Локальный минимум трещиностойкости может находиться в узкой полосе, которую широко расположенная усталостная трещина не затрагивает.

Следовательно, положение усталостной трещины имеет решающее значение. Трещина, расположенная в центре металла шва, в основном характеризует наплавленный металл и его локальные дефекты. Трещина, размещенная в ЗТВ, характеризует выбранную термическую подзону при условии, что усталостная предтрещина остается в заданном положении. Трещина, ориентированная вдоль границы сплавления, исследует границу раздела с резкими изменениями состава, ориентации зерен, твердости и характера деформирования. Небольшие отклонения от заданного положения надреза могут переместить трещину в другую область и изменить кажущуюся трещиностойкость.

Результат также может зависеть от того, регистрирует ли испытание зарождение разрушения или стабильное распространение трещины. Одна область сварного соединения может сопротивляться первоначальному сколу, но после начала распространения демонстрировать быстрое вязкое разрушение; другая может обеспечивать стабильное распространение, но разрушаться при низком значении параметра зарождения. Данные по кривым сопротивления могут выявить это различие яснее, чем одно критическое значение.

Микроструктура, остаточные напряжения и положение трещины

Остаточные сварочные напряжения изменяют исходное напряженное состояние у трещины. Растягивающие остаточные напряжения могут увеличивать эффективную нагрузку раскрытия дефекта даже при умеренном номинальном внешнем напряжении. Они также могут изменять рост усталостной предтрещины и взаимодействовать с ограничением деформации, обусловленным толстой плитой, жесткой ремонтной конструкцией или близлежащим сварным швом. Снятие напряжений, их перераспределение в процессе эксплуатации и локальное пластическое течение усложняют интерпретацию, но не являются основанием для игнорирования остаточных напряжений при оценке.

Локальное ограничение деформации имеет не меньшее значение. Одна и та же номинальная сталь может демонстрировать различное поведение у вершины трещины в тонком образце, толстом стесненном сварном соединении и высокотрехосном элементе конструкции. В линейно-упругих терминах в NASA-HDBK-5010, том 2, для пластины с центральной трещиной приведено $K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$, где $\beta$ представляет геометрию. Сварка изменяет не только геометрию: по образцу могут меняться модуль упругости, характеристики текучести, термические напряжения и форма фронта трещины.

Включения и непровары могут действовать как локальные концентраторы напряжений или инициировать образование микропор перед основной трещиной. На границе сплавления кристаллографические изменения и несогласованное деформирование могут усиливать локальное ограничение деформации. Эти эффекты способны вызывать траектории разрушения, выходящие из заданной области, особенно когда трещина встречает соседнюю зону с более высокой или более низкой трещиностойкостью.

Поэтому обоснованная интерпретация трещиностойкости сварного соединения должна содержать сведения о технологии сварки, положении сварного шва, ориентации трещины, температуре, режиме нагружения, размерах образца и событии разрушения. Без этой информации численный результат характеризует одну испытанную локальную конфигурацию, а не каждое сварное соединение, изготовленное из данного основного металла.

Усталостное распространение трещины и роль ΔK

От циклического нагружения до критического разрушения

Стальная конструкция может выдерживать трещину на протяжении многих тысяч или миллионов циклов нагружения, не разрушаясь немедленно. Однако это не означает, что трещина безвредна. Каждый цикл растягивающего нагружения может немного увеличивать длину трещины, постепенно уменьшая оставшуюся перемычку и повышая интенсивность напряжений у вершины трещины. Поэтому усталостное распространение трещины является докритическим процессом; окончательное разрушение представляет собой отдельное событие, определяемое состоянием у вершины трещины при максимальной приложенной нагрузке.

Это различие следует из положений, сформулированных A. A. Griffith и развитых G. R. Irwin. Энергетический критерий Griffith описывает условия, при которых развитие трещины становится энергетически выгодным, тогда как формулировка Irwin через коэффициент интенсивности напряжений связывает приложенную нагрузку, геометрию трещины и поле напряжений у её вершины. Для пластины с центральной трещиной NASA-HDBK-5010, том 2, приводит соотношение для режима I:

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a}$$

где $K$ — коэффициент интенсивности напряжений, $\beta$ — поправочный коэффициент, учитывающий геометрию, $\sigma$ — приложенное номинальное напряжение, а $a$ — размер трещины, используемый в модели. Одно и то же номинальное напряжение создаёт различные условия у вершины трещины при изменении формы и положения трещины, наличия свободных поверхностей, толщины или геометрии конструкции.

При циклическом нагружении трещина может распространяться, пока максимальное значение $K$ остаётся ниже применимого предела трещиностойкости. После того как трещина становится достаточно большой или приложенное напряжение достаточно возрастает, условие при максимальной нагрузке может достичь критического значения, такого как $K_{\mathrm{IC}}$, критическое значение CTOD или критерий разрушения на основе J-интеграла. После этого может начаться неустойчивое распространение трещины. Таким образом, конструкция может выдерживать многократное эксплуатационное нагружение при значении $K$ ниже критического, одновременно накапливая приращение длины трещины. Условие «ниже $K_{\mathrm{IC}}$» не равнозначно условию «повреждение отсутствует».

Это разграничение также объясняет, почему трещиностойкость не является тем же свойством, что и сопротивление усталости. Высокое значение $K_{\mathrm{IC}}$ может задержать неустойчивое разрушение, но само по себе не определяет скорость усталостного распространения трещины. И наоборот, оценка распространения трещины не может заменить испытание на трещиностойкость. ASTM E399-24 определяет $K_{\mathrm{IC}}$ в преимущественно линейно-упругих условиях плоской деформации с использованием металлических образцов с усталостной предварительной трещиной; применимость результата зависит от ограничения пластичности у вершины трещины по отношению к размерам образца.

ΔK как параметр, определяющий усталостное распространение

Для цикла с минимальной и максимальной нагрузками диапазон коэффициента интенсивности напряжений для режима I равен

$$\Delta K=K_{\max }-K_{\min }.$$

NASA-HDBK-5010, том 2, определяет $\Delta K$ как управляющий параметр циклического распространения трещины в рамках применимой линейно-упругой модели усталостного разрушения. Максимальное значение $K_{\max }$ выполняет другую функцию: его сравнивают с критерием разрушения для оценки мгновенного отказа. Использование только $K_{\mathrm{IC}}$ для прогнозирования усталостного ресурса смешивает эти две проверки.

При расчёте $\Delta K$ необходимо учитывать геометрию трещины и диапазон нагрузки, а не только диапазон номинального напряжения. Для пластины с центральной трещиной при неизменной геометрии диапазон можно записать в виде

$$\Delta K=\beta \Delta \sigma \sqrt{\pi a},$$

однако $\beta$ может изменяться в зависимости от длины трещины, конечной ширины, близости кромки, изгиба, наличия отверстий, рёбер жёсткости или особенностей сварного соединения. Поверхностная трещина, угловая трещина, внутренняя несплошность и сквозная трещина не имеют одного и того же поправочного коэффициента. В руководстве AFGROW по оценке долговечности и допускаемого повреждения за 2024 год аналогичным образом описывается реакция у вершины трещины через коэффициент интенсивности напряжений, зависящий от нагрузки, геометрии и размеров трещины.

Важную роль играет также коэффициент асимметрии цикла. Если определить $R=K_{\min }/K_{\max }$, то два цикла с одинаковым $\Delta K$ могут приводить к различному характеру распространения трещины при разных средних напряжениях. Смыкание трещины, остаточные растягивающие напряжения, пластичность у вершины трещины и эффекты последовательности нагружения могут изменять эффективную движущую силу. Цикл с отрицательным или низким $R$ может частично смыкать трещину, тогда как цикл с высоким $R$ удерживает её открытой на протяжении большей части истории нагружения. Поэтому в оценке необходимо указывать спектр нагрузок и модель распространения трещины, а не приписывать одной марке стали универсальную скорость роста трещины.

Необходимо также определить соответствующий режим нагружения. Раскрытие в режиме I обычно является основой для $\Delta K$, однако компоненты сдвига и отрыва могут влиять на зоны у концов сварных швов, сварочные дефекты, отверстия под крепёж и сложные конструкционные соединения. Если пластичность у вершины трещины нельзя считать малой по сравнению с размерами образца или конструкции, более подходящими могут оказаться методы на основе J-интеграла, CTOD или кривых сопротивления. ASTM E1820 и ISO 12135:2021 рассматривают эти различные параметры разрушения; их значения нельзя напрямую отождествлять с $K_{\mathrm{IC}}$.

Интервалы инспекций и остаточная прочность

Оценка допускаемого повреждения начинается с принятия исходной несплошности, которую часто выбирают на основании требований к качеству изготовления, данных о дефектах сварных соединений, ранее достигнутых возможностей инспекции или заданного критического размера обнаружения. Затем трещину прослеживают по спектру эксплуатационных нагрузок с использованием соответствующей модели на основе $\Delta K$, внося поправки на коэффициент асимметрии цикла, геометрию, остаточные напряжения, температуру и расположение сварного соединения. Для металла шва и зон термического влияния могут потребоваться отдельные свойства и варианты расположения трещины; ISO 15653:2018 специально рассматривает трещиностойкость сварных соединений с использованием $K$, CTOD $\delta$ и экспериментального эквивалента J-интеграла.

Интервалы инспекций следует связывать с прогнозируемым интервалом между предполагаемым обнаруживаемым размером трещины и критическим размером, учитывая неопределённость модели и погрешность инспекции. На каждом этапе оценки остаточную прочность проверяют по $K_{\max }$, а не по $\Delta K$. Расчёт должен показать, остаются ли текущий размер трещины и максимальная эксплуатационная нагрузка ниже применимого предела трещиностойкости или кривой сопротивления. Температура, толщина, степень стеснения деформации, скорость нагружения и расположение трещины могут уменьшать запас, особенно в толстых сечениях или вблизи перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

В результате формируется взаимосвязанная последовательность: принять исходную несплошность, спрогнозировать докритическое распространение, выполнить инспекцию до достижения трещиной допустимого предела и проверить остаточную прочность по критерию трещиностойкости. Отказ может произойти на любом из этих этапов. Трещина может распространиться слишком далеко между инспекциями либо ранее допустимая трещина может столкнуться с высокой максимальной нагрузкой и немедленно вызвать разрушение. Именно поэтому усталостный ресурс и трещиностойкость необходимо представлять и оценивать как отдельные, но взаимосвязанные характеристики.

Применение стандартов и данных о трещиностойкости при проектировании стальных конструкций

Результат определения трещиностойкости не является общим свойством марки стали в том же смысле, что и номинальный предел текучести. Он характеризует заданную трещину, образец, режим нагружения, температуру и критерий разрушения. Затем этот результат необходимо соотнести с трещиной и полем напряжений в компоненте конструкции. Значение KIC, полученное на толстом образце с усталостной предварительной трещиной, нельзя просто заменить значением CTOD, полученным при испытании сварного соединения, или J-R-кривой, измеренной для пластичной стали.

Выбор метода испытаний

Применяйте ASTM E399-24, если проектный вопрос касается корректного критического коэффициента интенсивности напряжений при плоской деформации и линейно-упругом поведении, KIC. Метод предусматривает использование металлических образцов с усталостной предварительной трещиной и применим только в том случае, если пластическая зона у вершины трещины остается малой по сравнению с размерами образца. Требования к применимости метода — не административные формальности: недостаточная толщина, чрезмерное пластическое деформирование или некорректный результат для образца означают, что указанное значение не является действительным KIC, даже если испытание привело к чистому разрушению.

Для упругопластического поведения выбирайте ASTM E1820 или ISO 12135:2021. ASTM E1820 оценивает разрушение по Моде I с использованием K, J и перемещения раскрытия вершины трещины (CTOD) — либо как единичного значения, либо в виде кривой сопротивления. ISO 12135:2021 устанавливает квазистатические методы определения K, CTOD δ, J и R-кривых для однородных металлических образцов с усталостной предварительной трещиной. Эти методы более целесообразны при значительной пластичности у вершины трещины, когда важно стабильное подрастание трещины или когда требуется J-интеграл либо кривая сопротивления, а не единственное значение в рамках линейно-упругой модели.

Применяйте ASTM E1290 для оценки, ориентированной на CTOD, особенно если проектной характеристикой является критическое перемещение раскрытия вершины трещины при заданном событии подрастания трещины. CTOD часто полезен для сталей, в которых при снижении температуры происходит переход от вязкого поведения к хрупкому, однако критическое значение CTOD по-прежнему связано с определением события, геометрией образца и температурой испытания. Оно не является взаимозаменяемым с JIC или KIC.

Для сварных конструкций требуется специальный метод для сварных соединений. ISO 15653:2018 охватывает испытания трещиностойкости сварных соединений с использованием K, CTOD δ и экспериментального эквивалента J-интеграла, при этом усталостные трещины располагаются в металле шва или в зонах термического влияния. Это различие имеет значение, поскольку металл шва, крупнозернистый материал зоны термического влияния, межкритические области и незатронутый основной металл могут иметь различную микроструктуру, остаточные напряжения, включения и температуры перехода. Результат для основного металла не подтверждает пригодность каждой зоны сварного соединения.

Выбор метода также зависит от нагружения. Раскрытие по Моде I обычно является отправной точкой, однако смешанное нагружение, ударное или динамическое нагружение, циклическое подрастание трещины и распространение разрыва после зарождения могут потребовать отдельного анализа. NASA-HDBK-5010, том 2, выражает коэффициент интенсивности для центральной трещины в пластине следующим образом:

$$K=\beta \sigma \sqrt{\pi a},$$

где β — поправочный коэффициент, учитывающий геометрию, σ — приложенное напряжение, а a — размер трещины, используемый в модели. При циклическом нагружении скорость роста усталостной трещины определяется ΔK, а не KIC. Статическое испытание на трещиностойкость не позволяет получить закон роста усталостной трещины.

Как правильно читать отчет о трещиностойкости

Начинайте с обозначения стали и вида проката: например, листовая сталь ASTM A572/A572M Grade 50 не является автоматически эквивалентной сварочному материалу, прокатному профилю или закаленной и отпущенной листовой стали с другим обозначением. Зафиксируйте термообработку, толщину и, если они приведены, данные о прочности и температуре перехода.

В отчете должны быть указаны тип и размеры образца — например, образец компактного растяжения или образец с односторонним надрезом для изгиба, — а также ориентация. Обозначения «L-T» и «T-L» характеризуют различные взаимосвязи между направлением трещины и направлением прокатки изделия; они могут давать разные результаты. Для сварного соединения необходимо указать, располагается ли трещина в металле шва, по линии сплавления, в крупнозернистой зоне термического влияния или в другой заданной области.

Также должны быть указаны процедура формирования усталостной предварительной трещины, окончательное измерение длины трещины, температура испытания, скорость нагружения и способ управления нагружением. Температуру необходимо соотносить с условиями эксплуатации, а не просто описывать как комнатную. В отчете должен быть указан параметр разрушения — KIC, условное KQ, JIC, CTOD δ или точка на J-R-кривой — и приведено заявление о применимости метода согласно стандарту. Условное значение KQ не является действительным KIC, если не выполнены требования к плоской деформации и размерам образца.

Наконец, изучите характер разрушения. Квазискол, вязкий разрыв, скачкообразное подрастание трещины, стабильное подрастание и смешанный характер разрушения имеют различные последствия. Числовое значение без описания поверхности разрушения и регистрации подрастания трещины скрывает механизм, определивший результат.

От лабораторного образца к оценке конструкции

Лабораторный образец дает результат характеристики материала при определенном напряженно-деформированном состоянии и уровне стеснения. Конструкция имеет собственные геометрию трещины, толщину, трехосность напряжений, остаточные напряжения, конструктивное исполнение сварного соединения, историю нагружения и температуру. Оценка конструкции должна связывать эти два уровня.

Сочетание размера трещины и напряжения ниже K = KIC может оставаться стабильным в рамках применимой модели механики разрушения. Limited evidence

Для преимущественно линейно-упругого случая рассчитайте коэффициент интенсивности напряжений в компоненте с учетом фактической формы трещины и геометрического коэффициента, а затем сравните результат с действительным значением трещиностойкости при соответствующих температуре и ориентации. Руководство FHWA по стальным мостам описывает основное условие: сочетания размера трещины и напряжения, при которых K меньше KIC, могут оставаться стабильными в рамках применимой модели механики разрушения. Такое сравнение недостаточно при значительном пластическом деформировании. Используйте J, CTOD или кривую сопротивления, если стабильный разрыв и подрастание трещины являются частью реакции конструкции. В обсуждении динамического разрушения стали, опубликованном NIST в 2008 году, объясняется, почему при испытаниях необходимо учитывать упругопластическое поведение, если на нестабильное распространение влияют неоднородная пластичность у вершины трещины и сложные поля напряжений и деформаций.

Это соответствует основам, заложенным энергетическим критерием A. A. Griffith и полем напряжений у вершины трещины G. R. Irwin. Ни один из этих подходов не рассматривает трещиностойкость как независимую от геометрии и нагружения характеристику. Поэтому практическая оценка должна учитывать пределы обнаружения трещин, вероятную форму дефекта, интервал между инспекциями, остаточные и вторичные напряжения, стеснение деформаций, а также то, идет ли речь о зарождении разрушения или о стабильном подрастании трещины.

Прежде чем принимать какой-либо ответ на вопрос «Какова трещиностойкость этой стали?», задайте следующие вопросы:

1. Какой стандарт и какой параметр разрушения использовались: KIC по ASTM E399-24, J или CTOD по ASTM E1820, ISO 12135:2021, CTOD по ASTM E1290 или ISO 15653:2018 для сварного соединения? 2. Каковы обозначение стали, вид проката, толщина, ориентация, тип образца и расположение трещины? 3. Каковы были процедура формирования усталостной предварительной трещины, температура, скорость нагружения и характер разрушения? 4. Является ли указанное значение действительным согласно заявленному стандарту или оно имеет условный статус? 5. Учитывает ли расчет конструкции фактическую геометрию трещины, стеснение деформаций, режим нагружения и рабочую температуру? 6. Что является определяющим фактором: зарождение разрушения, стабильный разрыв, хрупкое разрушение или циклическое подрастание трещины?

Без этих определений и эксплуатационных условий выражение «трещиностойкость стали» представляет собой неполный вопрос.