Масштабный эффект при испытаниях на трещиностойкость листового проката высокопрочных судостроительных сталей

Широко известен масштабный эффект при определении трещиностойкости – возрастание измеряемой ее характеристики (K_1c, критических значений J-интеграла или раскрытия трещины) при уменьшении размеров образца. В количественном отношении он определяется вошедшей в стандарты поправкой на толщину, теоретически вытекающей из представления о хрупком разрушении как случайном событии в микрообъеме металла и связи вероятности разрушения с объемом зоны процесса исходя из принципа «слабого звена». Однако при испытаниях стандартных образцов с высоким уровнем трещиностойкости наблюдаются существенные отличия от известных поправок: при хрупких разрушениях масштабный эффект оказывается более резко выражен, чем это следует из поправок стандартов, а при вязких разрушениях наблюдается инверсионный масштабный эффект – возрастание определяемого по стандартам параметра трещиностойкости с возрастанием толщины. В работе анализируются эти особенности испытаний применительно к высокопрочным судостроительным сталям, для которых испытания на трещиностойкость являются обязательным элементом сертификационных испытаний металла нового производителя. 

1. Правила классификации и постройки морских судов. Ч. 13: Материалы. – СПб.: Российский морской регистр судоходства, 2023.

2. BS 7910:2013+A1:2015: Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures. – 492 p.

3. ASTM E1820-18a: Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness.

4. ASTM E1921-18a: Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range.

5. BS 7448: Fracture Mechanics Toughness Test. Part 1: Method for determination of K1c, critical СTOD and critical J-values of metallic materials. – 1991.

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

7. Сыч О. В., Хлусова Е. И. Взаимосвязь параметров структуры с характеристиками работоспособности судостроительных сталей различного легирования // Вопросы материаловедения. – 2020. – № 4 (104). – С. 17–31.

8. Марголин Б. З., Гуленко А. Г., Швецова В. А. Прогнозирование трещиностойкости реакторных сталей в вероятностной постановке на основе локального подхода // Проблемы прочности. – 1999. – Сообщ. 1: № 1. С. 5–20; Сообщ. 2: № 2. С. 5–22.

9. Ильин А. В., Лаврентьев А. А., Мизецкий А. В. О формулировке локального критерия хрупкого разрушения для прогнозирования трещиностойкости высокопрочной стали // Вопросы материаловедения. – 2020. – № 3 (103). – С. 114–134.

10. Larsson, S. G., Carlsson, A. J. Influence of non-singular stress terms and specimen geometry on small-scale yielding at crack tips in elastic plastic material // J. Mech. Phys. Solids. – 1973 – V. 21. – P. 263–277. DOI: 10.1016/0022-5096(73)90024-0.

11. Du Z.-Z., Hancock J.-W. The effect of non-singular stresses on crack-tip constraint // J. Mech. Phys. Solids. – 1991. – V. 39. – Is. 4. – P. 555–567.

12. O’Dowd N. P., Shih C.F., Family of crack-tip fields characterised by a triaxiality parameter: 1. Structure of fields // J. Mech. Phys. Solids. – 1991. – V. 39. – Is. 8. – P. 989–1015. DOI: 10.1016/0022-5096(91)90049-T

13. Kim Y.-J., Kim J.-S., Cho S.-M., Kim Yo.-J. 3-D constraint effects on J testing and crack tip constraint in M(T), SE(B), SE(T) and C(T) specimens: numerical study // Engineering Fracture Mechanics. – 2004. – V. 71. – Is. 9. – P. 1203–1218. DOI: 10.1016/S0013-7944(03)00211-X

14. Kim Y., Chao Y. J., Zhu X. K. Effect of specimen size and crack depth on 3D crack-front constraint for SENB specimens // International Journal of Solids and Structures. – 2003. – V. 40. – P. 6267–6284.

15. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: В 2 т. / пер. с англ. под ред. Ю. Мураками.– М.: Мир, 1990. – Т. 1. – С. 51–56.

16. Ильин А. В., Лаврентьев А. А., Мизецкий А. В., Садкин К. Е. Об использовании локального критерия хрупкого разрушения для связи трещиностойкости высокопрочных сталей с результатами испытаний образцов с концентратором и структурными характеристиками материала // Вопросы материаловедения. – 2024. – № 4 (120). – С. 145–170.