Метод определения трещиностойкости конструкционных материалов при квазихрупком разрушении после стабильного подроста трещины

Рассмотрены случаи экспериментальных исследований трещиностойкости, когда по результатам проведенных испытаний определение характеристик трещиностойкости (K_Jс, J_с, J_R-кривые) не может быть выполнено корректно в соответствии с требованиями существующих стандартов. Предложен упрощенный метод определения длины стабильно растущей трещины по диаграмме нагрузка – перемещение (по линии нагружения), позволяющий в этих случаях получить необходимые характеристики трещиностойкости (J_R-, δ_R-, K_R-кривые) и тем самым существенно повысить информативность проведенных испытаний. Даны методические рекомендации по проведению испытаний и обработке их результатов. Реализация методики, а также ее апробация и верификация рассмотрены на примере экспериментального построения J_R-кривых.

1. АSTM E 1820–23. Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness.

2. ISO 12135:2016. Metallic Materials – Unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness.

3. BS 7448-4:1997. Fracture mechanics toughness tests. Part 4: Method for determination of fracture resistance curves and initiation values for stable crack extension in metallic materials.

4. JSME S001. Standard Method of Test for Elastic-Plastic Fracture Toughness JIc (in Japanese).

5. ГОСТ 25.506–85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.

6. ГОСТ Р 59115.6–2021. Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Методы определения характеристик трещиностойкости конструкционных материалов.

7. СТО-07516250-233–2012. Определение параметров вязкости разрушения (трещиностойкости) при статическом нагружении стали и сварных соединений. Методика испытаний. – СПб: ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», 2012. – 56 c.

8. ASTM E 1921–23. Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range.

9. Landes J. D., Zhou Z., Lee K., Herrera R . Normalization Method for Developing JR Curves with the LMN Function // Journal of Testing and Evaluation, JTEVA. – July 1991. – V. 19, N 4. – P. 305–311.

10. Rybakina O. G., Strogonova O. A . A Method of the JR-curve Determination Using Linear Normalization // Advances in Solid and Fracture Mechanics. Advanced Structured Materials. – 2022. – V. 180. – P. 211–220.

11. ASTM E 561–22. Standard Test Method for KR Curve Determination.

12. Irwin G. R. Analysis of Stresses and Strains near the End of a Crack Traversing a Plate // Journal of Applied Mechanics. – 1957. – N 24. – P. 361–364.

13. Tarnowski K. M. Measuring Crack Initiation and Growth in the Presence of Large Strains using the Potential Drop Technique // Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy. – Department of Mech. Eng. Imperial College, London, 2016. – 271 pgs.

14. Kumar J., Mukhopadhyay C., Kumar V. Monitoring of Elastoplastic Fracture Behavior of HSLA Steel Using Acoustic Emission Testing // Materials Evaluation. – 2011. – V. 79. – P. 383–390.

15. Lee J.-H. Applicability of Ultrasonic Technique for Evaluation of Elastic Plastic Fracture Toughness of High Manganese Steel at Low Temperatures // Journal of Mechanical Science and Technology. – 1995. – V. 9. – P. 1–7.

16. Henschel S., Krüger L . Temperature Dependent Crack Initiation of 42CrMo4 Steel at High Loading Rates // EPJ Web of Conferences DYMAT 2018. – 2018. – V. 183.

17. А.c. 1359706 СССР. Способ определения трещиностойкости материалов / В. В. Калайда, В. Н. Красико, А. В. Наумо в // Открытия. Изобретения. – 1987. – № 46. – C. 187.

18. Васнин А. Н., Щербинин И. Н . Регистрация начала движения трещины при испытании образцов на трещиностойкость // Заводская лаборатория. – 1990. – № 4. – C. 54–57.

19. Водопьянов В. И . Метод экспериментального определения момента старта трещины // Заводская лаборатория. – 1996. – № 8. – C. 44–46.

20. Смирнов В. И . Об определении момента страгивания трещины при испытаниях на вязкость разрушения конструкционных материалов // Заводская лаборатория. – 2004. – № 9. – C. 42–47.

21. Landes J. D. J . Calculation from Front Face Displacement Measurements of a Compact Specimen // International Journal of Fractur. – 1980. – V. 16. – P. R183–R186.

22. Veerman C. C., Muller T . The Location of the Apparent Rotation Axis in Notched Bend Testing // Engineering Fracture Mechanics. – 1972. – V. 4. – P. 25–32.

23. Кална К . Уточненный метод расчета критического раскрытия трещины // Проблемы прочности. – 1975. – № 11. – C. 19–24.

24. . Исследование сопротивления разрушению низколегированной стали при различных видах нагружения / Ю. П. Рыбалов, П. Ф. Кошелев, Г. С. Васильченко и д р. // Проблемы прочности. – 1976. – № 11. – C. 28–34.

25. Смирнов В. И. Методические особенности определения критического коэффициента интенсивности напряжений и критического раскрытия трещины при испытаниях на вязкость разрушения // Вопросы судостроения, cерия Сварка. – 1977. – Вып. 24. – C. 18–25.

26. Kolednik O . Plastic and Overall Rotational Factors in Bend and CT-specimens // International Journal of Fracture. – 1989. – V. 39. – P. 269–286.

27. Yongning L . Crack Opening and Rotation Factor // International Journal of Fracture. – 1994. – V. 66. – P. R39–R42.

28. Mills W. J. Heat-to-Heat variations in the Fracture Toughness of Austenitic Stainless Steels // Engineering Fracture Mechanics. – 1988. – V. 30. – P. 469–492.

29. Волков Г. С., Науменко В.П. К определению трещиностойкости конструкционных материалов // Проблемы прочности. – 1979. – № 8. – C. 64–67.

30. Хеллан К . Введение в механику разрушения. – М.: Мир, 1988. – 364 с.

31. Saxena A., Hudak Jr . S.J. Review and Extension of Compliance Information for Common Crack Growth Specimens // International Journal of Fracture. – 1978. – V. 14. – P. 455–468.

32. ASTM E 3076–18. Standard Practice for Determination of the Slope in the Linear Region of a Test Record.

33. Weidner A., Mottitschka T., Biermann H., Henkel S. Determination of Stretch Zone Width and Height by Powerful 3D SEM Imaging Technology // Engineering Fracture Mechanics. – 2013. – V. 108. – P. 294–304.

34. Saxena S., Ramakrishnan N., Dutta B. K . Determination of Stretch Zone Width Using FEM // Engineering Fracture Mechanics. – 2009. – V. 76. – P. 911–920.

35. Roos E., Otremba F., Eisele U. Fracture Mechanics Material Characteristics for a simplified Safety Analysis // Transactions SMiRT-16, Washington DC. – August, 2001.

36. Ильин А.В., Леонов В.П . Особенности использования параметра CTOD как характеристики перехода от режима стабильного роста трещины к нестабильному разрушению в конструкционных низколегированных сталях // Заводская лаборатория. – 2002. – № 2. – C. 28–36.

37. Eisele U., Schiedermaier J. Application of Ductile Fracture Assessment Methods for the Assessment of Pressure Vessels from High Strength Steels (HSS) // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2004. – V. 81. – P. 879–887.

38. Green G., Knott J. F . On Effects of Thickness on Ductile Crack Growth in Mild Steel // Journal of Mechanics and Physics of Solids. – 1975. – V. 23. – P. 172–183.

39. Bansal S., Nath S. K., Ghosh P. K., Ray S . Stretched zone width and blunting line equation for determination of initiation fracture toughness in low carbon highly ductile steels // International Journal of Fracture. – 2009. – V. 159. – P. 43–50.

40. Taira S., Tanaka K. Thickness effect of notched metal sheets on deformation and fracture under tension // Engineering Fracture Mechanics. – 1979. – V. 11, No 2. – P. 231–249

41. К ишкина С. И., Старова Е. Н., Ямилинец В. Ф . Остаточная прочность и сопротивление страгиванию трещины алюминиевых сплавов // Физико-химическая механика материалов. – 1981. – № 3. – C. 3–11.

42. Фадеев Ю. И., Бартенев О. А . Упрощенный способ определения J-интеграла с применением акустической эмиссии // Заводская лаборатория. – 1989. – № 5. – C. 54–57.

43. Otsuka A., Miyata T., Nishimura S., Kashiwagi Y. Crack Initiation from a Sharp Notch and Stretched Zone // Engineering Fracture Mechanics. – 1975. – V. 7. – P. 419–428.

44. Розанов М. П., Смирнов В. И . Исследование влияния размеров образцов и температуры испытания на характеристики вязкости разрушения конструкционных сталей // Труды Всесоюзного симпозиума по механике разрушения. – Киев: Наукова Думка, 1980. – C. 181–188.

45. Цайслмайер Х.-Хр . Факторы, влияющие на параметры трещиностойкости // Статическая прочность и механика разрушения сталей: Сб. статей / Под ред. В. Даля, В. Антона / Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1986. – 564 с.

46. Карзов Г.П., Смирнов В.И., Тимофеев Б.Т. Об определении критических температур хрупкости при испытаниях на вязкость разрушения // Физико-химическая механика материалов. – 1989. – № 5. – C. 54–59

47. Lucon E . ASTM E08.07.09 Analytical Round-Robin on the Use of DC Electrical Potential Difference for the Measurement of Crack Size in Ductile Fracture Testing // Materials Performance and Characterization. Materials and National Institute of Standards. – 2018. – V. 7. –P. 15–25.

48. Landes J. D. The Blunting Line in Elastic-Plastic Fracture // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. – 1995. – V. 18. – P. 1289–1297.

49. Validation of the Fracture Mechanics Test Method EGF P1-87D (ESIS P1-901 ESIS P1-92) / K.-H. Schwalbe, B. Hayes, K. Baustiana, et al. // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. – 1993. – V. 16. – P. 1231–1284.

50. Argon A. S., Im J., Safoglu R . Cavity Formation from in Ductile Fracture Inclusions in Ductile Fracture // Metallurgical and Materials Transactions. – 1975. – V. 6. – P. 825–837.

51. Zheng G. O., Radom J. C . The Formation of Voids in the Ductile Fracture of a Low-Alloy Steel // Proceeding ICF, International Simposium of Fracture Mechanics, Beiging, 22–25, Nov. 1983. – P. 118–125.

52. ESIS P3-05D. Draft Unified Procedure for Determining the Fracture Behavior of Materials / ESIS European Structural Integrity Society, Torino, 2005.

53. Карзов Г. П., Марголин Б. З., Швецова В. А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. – СПб.: Политехника, 1993. – 391 с.

54. Spitzig W. A . Correlations Between Fractographic Features and Plane-Strain Fracture Toughness in an Ultrahigh-Strength Steel // Symp. on Electron Microfractography, ASTM STP 453. – 1968. – P. 90–110.

55. Krasowsky A. J., Vainshtok V. A . On a Relationship Between Stretched Zone Parameters and Fracture Toughness of Ductile Structural Steels // International Journal of Fracture. – 1981. – V. 17. – P. 579– 592.

56. Kolednik O., Stuwe H.P . The Stereophotogrammetric Determination of the Critical Crack Tip Opening Displacement // Engineering Fracture Mechanics. – 1985. – V. 21. – P. 145–155.

57. Baron A. A . On a Relationship Between Fracture Toughness, Stretched Zone Width and Mechanical Properties in Tensile Test // Engineering Fracture Mechanics. – 1994. – V. 49. – P. 445–450.

58. Zhong-Xin G., De-Ming W., Nan-Sheng Y . Deformation Analysis of the Local Field in the Vicinity of a Stably Growing Crack-tip // Engineering Fracture Mechanics. – 1988. – V. 30. – P. 415– 434.