Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором
Розвинуто метод оптично-цифрового аналізу дефектів за одночасного вимірювання кількох параметрів діагностування, оцінено дефектність матеріалу в околі концентратора напружень за переміщенням та спотворенням заздалегідь нанесених поверхневих міток. За результатами математичного опису поля переміщень...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136114 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором / П.О. Марущак, І.В. Коноваленко, C.В. Панін, П.С. Любутін, І.М. Данилюк, М.А. Журавков // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 3. — С. 69-76. — Бібліогр.: 18 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-136114 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1361142018-06-16T03:07:05Z Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором Марущак, П.О. Коноваленко, І.В. Панін, С.В. Любутін, П.С. Данилюк, І.М. Журавков, М.А. Розвинуто метод оптично-цифрового аналізу дефектів за одночасного вимірювання кількох параметрів діагностування, оцінено дефектність матеріалу в околі концентратора напружень за переміщенням та спотворенням заздалегідь нанесених поверхневих міток. За результатами математичного опису поля переміщень на поверхні металу запропоновано інформативні ознаки кількісного аналізу параметрів пошкодженості. Развит метод оптико-цифрового анализа дефектов при одновременном измерении нескольких диагностических параметров, оценена дефектность материала возле концентратора напряжений по перемещениям и искажениям предварительно нанесенных поверхностных меток. На основе результатов математического описания поля перемещений на поверхности металла предложены информативные признаки количественного анализа параметров поврежденности. The approaches to quantitative analysis of damages of the local zones on the sample surface using the methods of optical digital analysis of defects in materials, including the simultaneous measurement of several diagnostic parameters were developed. It helps to evaluate the state of the material at different structural scales. The approach to optical digital control of the material defects, based on mathematically correct accounting of the interaction of deformation field with a pre-applied artificial sensory is proposed. Using the results of the mathematical description of the displacement field on the steel surface the informative features for the quantitative analysis of the damage parameters are proposed. 2014 Article Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором / П.О. Марущак, І.В. Коноваленко, C.В. Панін, П.С. Любутін, І.М. Данилюк, М.А. Журавков // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 3. — С. 69-76. — Бібліогр.: 18 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136114 670.191.33 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Розвинуто метод оптично-цифрового аналізу дефектів за одночасного вимірювання кількох параметрів діагностування, оцінено дефектність матеріалу в околі концентратора напружень за переміщенням та спотворенням заздалегідь нанесених поверхневих міток. За результатами математичного опису поля переміщень на поверхні металу запропоновано інформативні ознаки кількісного аналізу параметрів пошкодженості. |
| format |
Article |
| author |
Марущак, П.О. Коноваленко, І.В. Панін, С.В. Любутін, П.С. Данилюк, І.М. Журавков, М.А. |
| spellingShingle |
Марущак, П.О. Коноваленко, І.В. Панін, С.В. Любутін, П.С. Данилюк, І.М. Журавков, М.А. Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Марущак, П.О. Коноваленко, І.В. Панін, С.В. Любутін, П.С. Данилюк, І.М. Журавков, М.А. |
| author_sort |
Марущак, П.О. |
| title |
Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором |
| title_short |
Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором |
| title_full |
Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором |
| title_fullStr |
Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором |
| title_full_unstemmed |
Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором |
| title_sort |
оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136114 |
| citation_txt |
Оцінювання кінетики утомного руйнування шляхом автоматизованого аналізу деформаційного рельєфу на поверхні зразків з центральним отвором / П.О. Марущак, І.В. Коноваленко, C.В. Панін, П.С. Любутін, І.М. Данилюк, М.А. Журавков // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 3. — С. 69-76. — Бібліогр.: 18 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT maruŝakpo ocínûvannâkínetikiutomnogorujnuvannâšlâhomavtomatizovanogoanalízudeformacíjnogorelʹêfunapoverhnízrazkívzcentralʹnimotvorom AT konovalenkoív ocínûvannâkínetikiutomnogorujnuvannâšlâhomavtomatizovanogoanalízudeformacíjnogorelʹêfunapoverhnízrazkívzcentralʹnimotvorom AT panínsv ocínûvannâkínetikiutomnogorujnuvannâšlâhomavtomatizovanogoanalízudeformacíjnogorelʹêfunapoverhnízrazkívzcentralʹnimotvorom AT lûbutínps ocínûvannâkínetikiutomnogorujnuvannâšlâhomavtomatizovanogoanalízudeformacíjnogorelʹêfunapoverhnízrazkívzcentralʹnimotvorom AT danilûkím ocínûvannâkínetikiutomnogorujnuvannâšlâhomavtomatizovanogoanalízudeformacíjnogorelʹêfunapoverhnízrazkívzcentralʹnimotvorom AT žuravkovma ocínûvannâkínetikiutomnogorujnuvannâšlâhomavtomatizovanogoanalízudeformacíjnogorelʹêfunapoverhnízrazkívzcentralʹnimotvorom |
| first_indexed |
2025-07-10T00:39:56Z |
| last_indexed |
2025-07-10T00:39:56Z |
| _version_ |
1837218398721802240 |
| fulltext |
69
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2014. – ¹ 3. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 670.191.33
ОЦІНЮВАННЯ КІНЕТИКИ УТОМНОГО РУЙНУВАННЯ ШЛЯХОМ
АВТОМАТИЗОВАНОГО АНАЛІЗУ ДЕФОРМАЦІЙНОГО РЕЛЬЄФУ
НА ПОВЕРХНІ ЗРАЗКІВ З ЦЕНТРАЛЬНИМ ОТВОРОМ
П. О. МАРУЩАК 1, І. В. КОНОВАЛЕНКО 1, C. В. ПАНІН 2,
П. С. ЛЮБУТІН 2, І. М. ДАНИЛЮК 1, М. А. ЖУРАВКОВ 3
1 Тернопільський національний технічний університет ім. Івана Пулюя;
2 Інститут фізики міцності і матеріалознавства Сибірського відділення РАН, Томськ;
3 Білоруський державний університет, Мінськ
Розвинуто метод оптично-цифрового аналізу дефектів за одночасного вимірювання
кількох параметрів діагностування, оцінено дефектність матеріалу в околі концен-
тратора напружень за переміщенням та спотворенням заздалегідь нанесених поверх-
невих міток. За результатами математичного опису поля переміщень на поверхні металу
запропоновано інформативні ознаки кількісного аналізу параметрів пошкодженості.
Ключові слова: деградація, пошкодженість, діагностування, оптично-цифровий
контроль.
Оптично-цифровий аналіз – один із найефективніших методів неруйнівного
контролю для визначення дефектів різних типів, зокрема корозійних, втомних
тощо [1]. Його широко застосовують у виробництві, для діагностування елемен-
тів конструкцій, руйнування яких спричиняє важкі техногенні наслідки [2]. Од-
ним із напрямків розвитку таких підходів є оцінювання параметрів деформацій-
ного рельєфу на поверхні металів. Існує тісний зв’язок між поверхневими та гли-
бинними шарами матеріалу [3]. Тому за станом поверхні можна судити про нако-
пичені втомні пошкодження, що і використовують для оцінювання втомного по-
шкодження конструкційних елементів, виготовлення зразків-свідків, сенсорів
втоми, або т.зв. “давачів деформацій інтегрального типу” [1, 4].
Отже, актуально створити методи оптично-цифрового контролю пошкодже-
ності конструктивних елементів з утомними тріщинами за параметрами деформа-
ційного рельєфу поверхні [5]. В основі таких підходів – висока вірогідність ви-
никнення локальних пошкод в околі концентраторів напружень і використання їх
як інформативних ознак для прогнозування кінетики поширення втомних тріщин
[6]. Параметри деформаційного рельєфу застосовують як характеристики мате-
ріалу, які еволюціонують внаслідок циклічного навантажування і віддзеркалюють
локалізацію деформаційних процесів [7]. Алгоритми їх оцінювання дають змогу
вимірювати та обчислювати кількісні характеристики цифрових зображень, ви-
конувати над ними математичні та логічні операції. Але через випадковість де-
формаційного відгуку матеріалу на силовий вплив необхідно доопрацювати відо-
мі та розвинути нові підходи оптично-цифрового контролю [4, 5].
Нижче створено і використано алгоритм оптично-цифрового підходу для
аналізу втомних пошкоджень в околі колоподібного концентратора напружень.
Методика. Досліджували фрагмент газопроводу “Київ–Захід України-1”
(КЗУ-1) зі сталі 17Г1С діаметром 1020 mm, товщиною стінки 10 mm після сорока
Контактна особа: П. О. МАРУЩАК, e-mail: maruschak@tu.edu.te.ua
70
років експлуатації в землі. Використовували поздовжні призматичні зразки
10,0×1,0×100 mm з центральним концентратором діаметром 2,4 mm, які наванта-
жували циклічним розтягом за розмаху напружень ∆σ = 250 МРа на сервогідрав-
лічній установці Biss UTM 150 за частоти 10 Hz та асиметрії циклу навантажу-
вання R = 0,1. Поверхню зразка в околі концентратора впродовж утомних випро-
бувань фотографували фотоапаратом Canon D550, використовуючи оптичний
мікроскоп МБС-10.
Загальну циклічну довговічність зразка (N = 1,43·106 cycles) умовно ділили
на два етапи діагностування: попереднього циклічного деформування, впродовж
якого на поверхні зразка не виявляли структурно-механічних та оптично-цифро-
вих змін (N1 = 1,03·106 cycles); ідентифікації втомної тріщини та дефектометрич-
ного контролю шляхом фіксування зміни стану поверхні, зародження та росту
втомної тріщини (N2 = 4·104 cycles).
Наведені дані торкаються саме другого етапу контролю. Під час шліфування
на поверхню зразка наносили поздовжньо орієнтовану систему міток, за зміною
геометрії та орієнтації яких контролювали зсувні процеси в околі концентратора
напружень на етапі інкубаційного втомного пошкодження та під час поширення
короткої тріщини.
Метод оцінювання орієнтації поверхневих міток. Відомі підходи оціню-
вання взаємозв’язку між деформуванням та руйнуванням [1, 3, 5] базуються на
тому, що певне співвідношення параметрів зовнішнього навантажування (нап-
руження, гранична деформація тощо) визначає макроскопічну втрату тривкості
внаслідок течіння; кожному етапу деформування властиві пластичні зсувні та
ротаційні зміщення; за статистичними параметрами полів деформацій можна
описати масштабно-інваріантні закономірності самоорганізації деформаційного
процесу [8].
Вхідною інформацією для математичного оброблення є оптично-цифрове
зображення впорядкованого рельєфу поверхні з лінійними мітками. Оскільки ма-
теріал циклічно деформується внаслідок зсувів або ротацій, то циклічне напра-
цювання змінюватиме нахил міток, або спотворюватиме їх геометрію. В околі
концентратора умовно виділили чотири інформативні ділянки, на яких аналізува-
ли зміну орієнтації міток під час циклічного навантажування (рис. 1а).
Кінетику руйнування матеріалу оцінювали за значенням кута розкриття вер-
шини тріщини (CTOА), який є одним з деформаційних параметрів механіки руй-
нування (рис. 1b). Кожну зону (рис. 1a) аналізували у п’яти точках, використав-
ши інвертування та бінарне перетворення зображення з визначенням переважаль-
ного кута нахилу прямолінійних міток за допомогою перетворення Хафа.
Вхідним для аналізу було цифрове зображення поверхні зразка з поздовжні-
ми прямолінійними мітками в градаціях сірого кольору I0(x, y), де x – індекс
стовпчика, 1,x m= ; y – індекс рядка зображення, 1,y n= ; 0 ( , ) 0,255I x y = .
Після інвертування початкового зображення отримали зображення 0I , ко-
жен елемент якого 0 0( , ) 255 ( , )I x y I x y= − . Для виявлення поверхневих міток йо-
го сегментували шляхом бінарного перетворення. В результаті одержали моно-
хромне зображення ( , )BI x y з яскравістю кожної точки
0
0
1 при ( , ) ,
( , )
0 при ( , ) ,
B
I x y B
I x y
I x y B
⎧ >⎪= ⎨
≤⎪⎩
(1)
де B – граничне бінарне перетворення, яке вибирали з аналізу гістограми зобра-
ження з умови B = Bmed – 2σ, де Bmed – середня яскравість на гістограмі; σ – серед-
ньоквадратичне відхилення її розподілу.
71
Рис. 1. Ділянки (І–IV) на зразку зі штучними поверхневими мітками (а)
та ілюстрація вимірювання CTOА (b).
Fig. 1. Zones (І–IV) on the specimen with artificial surface marks (a)
and illustrations for crack tip opening angle (CTOА) measuring (b).
Зафіксували початкові (рис. 2а–f) та монохромні (рис. 2g–j) зображення
штучних міток на поверхні зразка у межах зони II. Виявили зростання відхилення
міток від осі зразка через напрацювання.
Рис. 2. Цифрові фото поверхні в зоні II з поверхневими мітками в точках
оптично-цифрового контролю (а–е) та їх монохромне подання (f–j).
Fig. 2. Digital photos of specimen surface in the zone II with artificial surface marks
at points of opto-digital control (а–е) and their monochrome representation (f–j).
Для обчислення переважального кута нахилу міток до монохромних зобра-
жень ІВ застосовували перетворення Хафа, відображаючи їх на параметричний
простір прямих [9]. Нехай сімейство прямих на площині задане параметричним
рівнянням
( , , , ) cos sinh x y x yθ ρ = ⋅ ϑ + ⋅ θ − ρ , (2)
де (x, y) – параметричний простір зображення; (θ, ρ) – параметричний простір сі-
мейства прямих на зображенні (θ, ρ – компоненти нормального рівняння прямої).
У перетворенні Хафа обчислювали матрицю акумуляторів S у просторі пара-
метрів (θ, ρ) з дискретністю ∆θ, ∆ρ (на практиці під час аналізу зображень прий-
мали ∆θ = 0,5°; ∆ρ = 1 pixel). Величини ∆θ та ∆ρ впливають на точність визначен-
ня параметрів θ та ρ у рівнянні (2). Попереднім аналізом зображень виявили, що
розкид нахилів різних прямолінійних фрагментів становить біля 4°. Таким чином,
вибраний крок 0,5° дає можливість розпізнати зміну нахилу такого фрагмента.
Кожній комірці фазового простору відповідає акумулятор з певною кількіс-
тю інформативних точок на зображенні. Приймали таку умову належності точки
IB(x, y) зображення I до прямої h, заданої коміркою параметричного простору S(θ, ρ):
72
lim1 при ( ( , ), ( , , , )) ,
( , , , )
0 в іншому випадку ,
Bd I x y h x y d
r x y
θ ρ <=⎧
θ ρ = ⎨ −⎩
(3)
де ( ( , ), ( , , , ))Bd I x y h x yθ ρ – відстань від точки ( , )x y до прямої ( , , , )h x yθ ρ ; limd –
граничне значення, яке для розглянутих зображень дорівнює 4 pixel.
Таким чином, функція перетворення Хафа
( ( , )) ( , , , )H S r x yθ ρ = θ ρ∑ . (4)
Кількісним аналізом акумуляторів у параметричному просторі виявили на
зображенні прямі з найбільшою кількістю інформативних точок. Зони, в яких
функція ( ( , ))H S θ ρ досягає максимуму, відповідають найвиразнішим прямим.
Значення параметра baseθ = θ характеризуватиме переважальний напрямок пере-
міщення інформативних точок (елементів деформаційного рельєфу). Вигляд
функції ( ( , ))H S θ ρ для зображень на рис. 2g, i, j ілюструє рис. 3. Зони максималь-
них її значень (найсвітліші) відповідають тим комбінаціям параметрів (θ, ρ), які
формують пряму, що проходить через найбільшу кількість точок зображення.
Найсвітлішими вважали ті зони, де яскравість пікселя становила 250...255 (за
максимального значення 255). Наявність кількох невеликих пікових зон (рис. 3а)
означає, що зображення містить кілька добре виражених прямих. Розмивання зон
високих значень функції ( ( , ))H S θ ρ вказує на те, що прямі лінії на зображенні не
такі виразні, а їх зміщення вздовж осі θ відповідає зміні кута нахилу прямих.
Рис. 3. Вигляд функції перетворення Хафа для зображень на рис. 2f, h, j.
Fig. 3. View of a function of Hough transform for images (see Fig. 2f, h, j).
З одержаних результатів дійшли до таких висновків:
– зміна орієнтації міток чутлива до накопичення пошкоджень на поверхні зраз-
ка, проте вони мають індивідуальні особливості у кожній з аналізованих ділянок;
– індивідуальні особливості зміни кожної маркерної смуги визначають лока-
лізацію деформації в аналізовані ділянці і пропонований алгоритм;
– маркерні смуги можуть слугувати для аналізу стадійності розвитку пошко-
джуваності оцінюваної поверхні (рис. 4).
Через високу міцність матеріалу деформаційний процес локалізується, а та-
кож розвиваються смуги локального пластичного деформування. При цьому змі-
на орієнтації смуг-маркерів синергетична і є відгуком на зсуви та ротаційне обер-
тання конгломератів зерен сталі [8].
Методика оцінювання геометричних параметрів отвору. Запропонова-
ний [10] алгоритм аналізу формозміни пітингів шляхом їх підростання та об’єд-
нання використали для оцінювання стану пластини із коловим отвором під час
циклічного напрацювання. Міру наближення форми отвору до колової розраху-
вали за коефіцієнтом округлості [10]. Щоб виявити ступінь його спотворення під
час підростання тріщини, розраховували координати його центра мас Ci(xci, yci)
(рис. 5):
73
1
if
m
m
ci
i
x
x
f
==
∑
, 1
if
m
m
ci
i
y
y
f
==
∑
. (5)
Рис. 4. Зміна нахилу смуг-маркерів
на поверхні зразка зі сталі 17Г1С:
λφ = [(α0
– αdeg) /α0]⋅100%, де α0 = 90° у зонах
контролю І–IV після 103 (заштриховані)
та 104 (сірі стовпчики) циклів напрацювання.
Fig. 4. Change of slope of the lines-marks
on the surface of specimen of the 17Г1С steel:
λφ = [(α0
– αdeg) /α0]⋅100%, where α0 = 90°
in the areas of control I–IV after 103 (dashed)
and 104 (grey columns) operated cycles.
Далі обчислювали коефіцієнт округлості Kci – відсоток потрапляння пікселів в
межах об’єкта у коло з діаметром Di, центр якого суміщено з центром мас Ci [10]:
1
( , )
100%
if
m i
m
c
i
g r D
K
f
== ⋅
∑
,
1, якщо / 2 ,
( , )
0, якщо / 2 ,
m i
m i
m i
r D
g r D
r D
⎧ ≤⎪= ⎨
>⎪⎩
(6)
де ( , )m ig r D – індикаторна функція, яка показує, чи потрапляє m-ий піксель отвору
всередину еквівалентного кола діаметром Di; mr – радіус-вектор від центра еквіва-
лентного кола Ci(xci, yci) до m-го пікселя об’єкта з координатами (xm, ym).
Рис. 5. Цифрові зображення отвору для різних точок оптично-цифрового контролю зразка
зі сталі 17Г1С за напрацювання N = 0; 12000; 26000; 36000; 40000 cycles відповідно.
Fig. 5. Digital images of the hole for different points of opto-digital control of 17Г1С steel
specimens after N = 0; 12000; 26000; 36000; 40000 cycles, respectively.
Вважали, що зміна коефіцієнта округлості Kc свідчить про локалізацію де-
формування на макрорівні внаслідок підростання втомної тріщини (рис. 6а). До
вхідних зображень застосовували бінарне перетворення (1) і аналізували най-
більший зі знайдених зв’язний елемент: обчислювали його площу (за кількістю
пікселів) та координати центра мас. За цією площею знаходили еквівалентний
діаметр Dі кола еквівалентної площі.
Коефіцієнт Kс набуває значень від 1 до 100% і вказує на кількість пiкселів, що
потрапляє всередину кола, центр якого розташований у центрі мас реального коло-
вого концентратора з еквівалентним діаметром під час циклічного напрацювання
(рис. 6b). Виявили, що діаметр Di змінюється від 2,42 у ненавантаженому зразку до
2,57 mm для останньої точки оптично-цифрового контролю рис. 6b. Значення Kс
при цьому спадає від 98,25 до 94,9%. Встановлено, що зі збільшенням швидкості
підростання дефекту інтенсифікується пластичне деформування в околі отвору.
74
Рис. 6. Кінетика поширення тріщини в пластині з отвором зі сталі 17Г1С (а)
та зміна діаметра кола еквівалентної площі Dі (крива 1) та коефіцієнт округлості
отвору Kc (крива 2) залежно від кількості циклів напрацювання N (b).
Fig. 6. Kinetics of the crack growth in the 17Г1С steel plate with a hole (a)
and change of the hole diameter with equivalent area Dі (curve 1)
and ratio of hole circularity (curve 2) versus numbers of loading cycles N (b).
Деформаційні підходи до оцінки руйнування матеріалу. CTOА дає мож-
ливість описати тріщиностійкість матеріалу за циклічного навантаження (рис 7а).
На відміну від інших параметрів лінійної та нелінійної механіки CTOА можна ви-
значити за результатами прямого вимірювання, без додаткових перерахунків.
Вважали, що кут ψс є константою матеріалу, хоча виявилося, що він залежить від
довжини тріщини (рис. 7b; [11]).
Рис. 7. Залежність швидкості росту тріщини dа/dN від CTOА (a)
та вплив довжини тріщини на CTOА (b).
Fig. 7. Dependence of crack growth rate dа/dN on CTOА (a)
and effect of crack length on the CTOА (b).
Проаналізовано кути розкриття тріщини залежно від її довжини (рис. 7b).
Для “фізично короткої тріщини” кут розкриття становив 2°. Граничне значення
кута відповідає суттєвому підростанню тріщини, яке передує долому зразка
(CTOА ∼ 20°).
Поведінка матеріалу під час деформування. Закономірності зміни СTOА
залежно від довжини тріщини можна поділити на три ділянки (рис. 7b), які по-
в’язані з різними масштабними рівнями деформування [11, 12].
Мікрорівень. На ділянці І значення CTOА невисоке, оскільки робочий пе-
реріз зразка має ще достатній запас стримувальної здатності і матеріал активно
опирається деформуванню і руйнуванню [13, 14]. Подальша зміна кута нахилу
залежності a–CTOА відтворює не лише вплив початкової дефектності, але і зни-
75
ження його опірності зсуву під час навантажування. Локалізація деформації на-
вантаженого зразка проявляється перегином на цій кривій.
Мезорівень. Ділянка ІІ характеризується максимальним зростанням CTOА
та чергуванням процесів деформування і руйнування матеріалу. Спостерігали пе-
рерозподіл розкриття тріщин і розвиток релаксаційних процесів у металі. В ме-
жах цієї залежності свідчить, що структурна адаптація матеріалу відбувається че-
рез зсув прилеглих ділянок металу в околі вершини тріщини [15].
Макрорівень. Ділянка ІІІ описує деформування матеріалу до точки втрати
зсувної макротривкості. При цьому зсувні деформації спричиняють релаксацію в
околі концентраторів напружень, зокрема у вершині втомної тріщини. Це пов’я-
зано із вичерпуванням запасу пластичності матеріалу [16, 17]. Запропоновано для
цього використовувати комплекс показників деградації матеріалу, які дають змо-
гу виявити її на мікро-, мезо- та макрорівнях [8].
Оцінювання деградації сталі
Структурні рівні деградації матеріалу
Параметри
мікро- мезо- макро-
Кут орієнтації поверхневого рельєфу + + +
Площа макродефекту – + +
Еквівалентний діаметр макродефекту – + +
Кут розкриття вершини тріщини – – –
Апробований підхід перспективний для аналізу пошкодженості в околі ко-
лоподібних концентраторів напружень. У поєднанні із параметрами нелінійної
механіки руйнування він дає змогу оцінити тріщинотривкість, залишкову довго-
вічність матеріалів, поглибити інформативність фрактодіагностування [18].
ВИСНОВКИ
Запропоновано підхід багатопараметрового оптично-цифрового діагносту-
вання дефектності матеріалів, сформульовано низку вимог щодо його інформа-
тивності й кількісного опису. Визначено і фізично обґрунтовано способи вибір-
кового оптично-цифрового аналізу дефектності матеріалів, зокрема за одночас-
ного вимірювання кількох інформативних параметрів діагностування. Це дасть
можливість аналізувати стан матеріалу на різних структурно-масштабних рівнях.
Розроблені на цій основі підходи та алгоритмічне забезпечення неруйнівного
контролю металу достатньо чутливі для діагностування втомних пошкоджень.
РЕЗЮМЕ. Развит метод оптико-цифрового анализа дефектов при одновременном из-
мерении нескольких диагностических параметров, оценена дефектность материала возле
концентратора напряжений по перемещениям и искажениям предварительно нанесенных
поверхностных меток. На основе результатов математического описания поля перемеще-
ний на поверхности металла предложены информативные признаки количественного
анализа параметров поврежденности.
SUMMARY. The approaches to quantitative analysis of damages of the local zones on the
sample surface using the methods of optical digital analysis of defects in materials, including the
simultaneous measurement of several diagnostic parameters were developed. It helps to evaluate
the state of the material at different structural scales. The approach to optical digital control of
the material defects, based on mathematically correct accounting of the interaction of deforma-
tion field with a pre-applied artificial sensory is proposed. Using the results of the mathematical
description of the displacement field on the steel surface the informative features for the quanti-
tative analysis of the damage parameters are proposed.
76
1. Сызранцев В. Н., Голофаст С. Л. Измерение циклических деформаций и прогнозиро-
вание долговечности деталей по показаниям датчиков деформаций интегрального ти-
па. – Новосибирск: Наука, 2004. – 206 с.
2. Марголин A. M., Сызранцев В. Н., Кузяков О. Н. Применение датчиков деформации
интегрального типа для оценки усталостных изменений оборудования // Изв. вузов.
Нефть и газ. – 2008. – № 6. – С. 51–58.
3. Змызгова Т. Р. Экспериментальная методика регистрирования и оценки накопленного
усталостного повреждения в материале нефтегазового трубопроводного оборудования
с помощью датчиков деформации интегрального типа // Нефть и газ. – 2012. – № 7.
С. 14–16.
4. Fatigue damage and sensor development for aircraft structural health monitoring / S. R. Ig-
natovich, A. Menou, M. V. Karuskevich, and P. O. Maruschak // Theoret. and Appl. Fract.
Mech. – 2013. – 65. – P. 23–27.
5. Патент України № 40742. Спосіб визначення місця розташування та форми концент-
ратора напружень / П. О. Марущак, І. В. Коноваленко. – Опубл. 27.04.2009; Бюл. № 8.
6. Марущак П. О., Коноваленко І. В. Вимірювання неоднорідних полів переміщень по-
верхні матеріалу та розкриття вершини тріщини за аналізом цифрових зображень
// Машинознавство. – 2008. – № 12. – C. 18–21.
7. A novel algorithm for damage analysis of fatigue sensor by surface deformation relief para-
meters / I. Konovalenko, P. Maruschak, A. Menou et al. // Proc. Int. Symp. “Operational
research and applications” (May 8–10). – Morocco: Marrakech, 2013. – Р. 678–684.
8. Panin V. E., Elsukova T. F., and Popkova Yu. F. Stages of multiscale fatigue cracking as a
nonlinear rotational autowave process // Physical Mesomechanics. – 2011. – 14. – P. 112–123.
9. Duda R. O. and Hart P. E. Use of the Hough transformation to detect lines and curves in
pictures // Artificial Intelligence Center, Comm. ACM. – 1972. – 15, № 1. – P. 11–15.
10. Effect of long term operation on degradation of material of main gas pipelines / P. Maruschak,
R. Bishchak, I. Konovalenko et al. // Mat. Sci. Forum. – 2014. – 782. – P. 279–283.
11. Crack tip opening angle optical measurement methods in five pipeline steels / Ph. P. Darcis,
C. N. McCowan, H. Windhoff et al. // Engng. Fract. Mech. – 2008. – 75. – P. 2453–2468.
12. Hashemi S. H., Dastani H., and Sadri J. A new data analysis technique to examine crack tip
opening angle values tested in API X65 pipe steel // Fatig. & Fract. of Engng. Mater. &
Struct. – 2013. – 36. – P. 614–622.
13. Патент України № 38957. Спосіб визначення розкриття вершини тріщини / П. В. Яс-
ній, П. О. Марущак, Ю. І. Пиндуc та ін. – Опубл. 26.01.2009; Бюл. № 1.
14. Взаимосвязь фрактальной размерности и мезомеханизмов пластического деформирова-
нии материала в вершине усталостной трещины / П. В. Ясний, П. О. Марущак, С. В. Па-
нин, П. С. Любутин // Обработка материалов давлением. – 2010. – № 1(22). – С. 200–204.
15. Kunz L., Lukaš P., and Navratilova L. Strain localization and fatigue crack initiation in ultra-
fine-grained copper in high- and giga-cycle region // Int. J. of Fatigue. – 2014. – 58. – P. 202–208.
16. Стадийность деформирования материала и кинетика роста усталостной трещины в
стали 25Х1М1Ф при низких частотах нагружения / П. В. Ясний, П. О. Марущак, С. В. Па-
нин и др. // Физ. мезомеханика. – 2012. – 15, № 2. – С. 97–107.
17. Марущак П.О. Циклічна тріщиностійкість біматеріалу 15Х13МФл/25Х1М1Фл // Зб. пр.
Міжнар. наук.-техн. конф. “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських ма-
шин” (4–7 жовтня). – Тернопіль: ТНТУ, 2004. – С. 249–253.
18. Комп’ютерний аналіз характерних елементів фрактографічних зображень / Р. Я. Коса-
ревич, О. З. Студент, Л. М. Свірська та ін. // Фiз.-хiм. механiка матерiалiв. – 2012. – 48,
№ 4. – С. 53–60.
(Kosarevych R. Ya., Student O. Z., Svirs’ka L. M., Rusyn B. P., and Nykyforchyn H. M. Com-
puter analysis of characteristic elements of fractographic images // Materials Science.
– 2013. – 48, № 4. – P. 474–481.)
Одержано 16.12.2013
|