К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации

Полученное ранее автором соотношение между эмпирическими параметрами Ci и C2 позволяет исключить проведение в экстремальных и естественных условиях сложного эксперимента по определению эффективных характеристик циклической трещиностой- кости конструкционного материала и верхней границы ΔKjcl х ро...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2004
Автор:	Пиняк, И.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2004
Назва видання:	Проблемы прочности
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47081
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации / И.С. Пиняк // Проблемы прочности. — 2004. — № 2. — С. 130-143. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-47081
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-470812013-07-09T20:09:19Z К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации Пиняк, И.С. Научно-технический раздел Полученное ранее автором соотношение между эмпирическими параметрами Ci и C2 позволяет исключить проведение в экстремальных и естественных условиях сложного эксперимента по определению эффективных характеристик циклической трещиностой- кости конструкционного материала и верхней границы ΔKjcl х роста сквозной усталостной макротрещины при закрытии ее вершины. Результаты основных испытаний по определению номинальных, эффективных характеристик циклической трещиностойкости и полученное соотношение достоверно описывают кинетику роста макротрещины на всем интервале кинетической диаграммы усталостного разрушения с помощью уравнения, учитывающего закономерности ее изменения в широком диапазоне действия различных факторов при экстремальных и естественных условиях, а также в случае наличия закрытия вершины трещины. При указанных условиях определена долговечность материала элемента с трещиной и его опасное граничное состояние. Анализ кинетики роста сквозной усталостной макротрещины показал, что стабильность распространения трещины обеспечивается наличием остаточных сжимающих напряжений вдоль ее берегов. Завдяки отриманому раніше автором співвідношенню між емпіричними параметрами С і и С 2 відпадає необхідність у постановці в екстремальних і природних умовах складного експерименту по визначенню ефективних характеристик циклічної тріщиностійкості конструкційного матеріалу і верхньої межі ΔKjcl х поширення в ньому тріщини від утомленості за наявності закриття вістря тріщини. Результати основних випробувань по визначенню номінальних, ефективних характеристик циклічної тріщиностійкості і отримане співвідношення достовірно описують кінетику поширення макро- тріщини на всьому інтервалі кінетичної діаграми втомного руйнування за допомогою рівняння, що ураховує закономірності її зміни в широкому діапазоні дії різних чинників в екстремальних і природних умовах та при закритті тріщини. За вказаних умов визначена довговічність матеріалу елемента з тріщиною та його небезпечний граничний стан. Аналіз кінетики росту наскрізної утомної макротріщини свідчить, що стабільність поширення тріщини забезпечується наявністю залишкових стискуючих напружень вздовж її берегів. We apply the earlier determined ratio between parameters C1 and C2 for evaluation of effective characteristics of cyclic crack resistance of a structural material, as well as the upper growth boundary ΔKjcl х for a through fatigue macrocrack with a crack tip closure in extreme and normal loading conditions. This technique is an easy-to-use alternative to a complex test procedure. Results of the basic tests on determination of nominal effective characteristics of cyclic crack resistance and the obtained above-mentioned ration make possible reliable description of the macrockrack propagation kinetics for the total range of fatigue fracture kinetic diagram by use of the equation, which accounts for the rules of its variation under extreme and normal conditions, as well as in the case of crack tip closure. For the above conditions we assessed the cracked element durability and its critical state. Analysis of a fatigue through crack propagation kinetics has demonstrated the propagation stability within the range of compressive residual stress acting along the crack faces. 2004 Article К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации / И.С. Пиняк // Проблемы прочности. — 2004. — № 2. — С. 130-143. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47081 620.191.33:620.17:539.4 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Пиняк, И.С. К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации Проблемы прочности
description	Полученное ранее автором соотношение между эмпирическими параметрами Ci и C2 позволяет исключить проведение в экстремальных и естественных условиях сложного эксперимента по определению эффективных характеристик циклической трещиностой- кости конструкционного материала и верхней границы ΔKjcl х роста сквозной усталостной макротрещины при закрытии ее вершины. Результаты основных испытаний по определению номинальных, эффективных характеристик циклической трещиностойкости и полученное соотношение достоверно описывают кинетику роста макротрещины на всем интервале кинетической диаграммы усталостного разрушения с помощью уравнения, учитывающего закономерности ее изменения в широком диапазоне действия различных факторов при экстремальных и естественных условиях, а также в случае наличия закрытия вершины трещины. При указанных условиях определена долговечность материала элемента с трещиной и его опасное граничное состояние. Анализ кинетики роста сквозной усталостной макротрещины показал, что стабильность распространения трещины обеспечивается наличием остаточных сжимающих напряжений вдоль ее берегов.
format	Article
author	Пиняк, И.С.
author_facet	Пиняк, И.С.
author_sort	Пиняк, И.С.
title	К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации
title_short	К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации
title_full	К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации
title_fullStr	К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации
title_full_unstemmed	К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации
title_sort	к оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2004
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/47081
citation_txt	К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации / И.С. Пиняк // Проблемы прочности. — 2004. — № 2. — С. 130-143. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT pinâkis kocenkekinetikiuprugoplastičeskogorostaskvoznojustalostnojmakrotreŝinyvmetallahpriékstremalʹnyhiestestvennyhusloviâhékspluatacii
first_indexed	2025-07-04T06:43:35Z
last_indexed	2025-07-04T06:43:35Z
_version_	1836697693302292480
fulltext	УДК 620.191.33:620.17:539.4 К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации И. С. Пиняк Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина Полученное ранее автором соотношение между эмпирическими параметрами Ci и C2 позволяет исключить проведение в экстремальных и естественных условиях сложного эксперимента по определению эффективных характеристик циклической трещиностой- кости конструкционного материала и верхней границы AKjcl х роста сквозной усталост ной макротрещины при закрытии ее вершины. Результаты основных испытаний по опреде лению номинальных, эффективных характеристик циклической трещиностойкости и полу ченное соотношение достоверно описывают кинетику роста макротрещины на всем интер вале кинетической диаграммы усталостного разрушения с помощью уравнения, учиты вающего закономерности ее изменения в широком диапазоне действия различных факторов при экстремальных и естественных условиях, а также в случае наличия закрытия вершины трещины. При указанных условиях определена долговечность материала элемента с тре щиной и его опасное граничное состояние. Анализ кинетики роста сквозной усталостной макротрещины показал, что стабильность распространения трещины обеспечивается наличием остаточных сжимающих напряжений вдоль ее берегов. Ключевые слова : скорость роста усталостной макротрещины, закрытие тре щины, остаточные сжимающие напряжения в вершине и вдоль берегов макротрещины. О б о з н а ч е н и я X ,X (R,R ,T,T , etc.) - факторы (асимметрия, температура и др.), воздействующие AKeff 1 _2 , AKi_ 2 x ,AK2_з x - эффективный размах КИН и размахи КИН в цикле, K Ic , AKfc , AKfc, X AK, AKX на металл при наличии и отсутствии закрытия трещины (ЗТ) номинальный размах коэффициента интенсивности напряжений (КИН) в цикле при одном и разных факторах воздействия пороговый эффективный и пороговый размахи КИН в цикле при одном и разных факторов воздействия критические КИН и размах КИН при одном и разных факторах воздействия эффективный размах КИН в цикле AKfcI. th, X AKfcl,0 , AKfcl, AKfcl,X соответствующие началу и концу второго участка кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР) в эффективных и номинальных координатах при разных факторах воздействия критический эффективный размах КИН в цикле соответственно при нулевой асимметрии цикла, одном и разных факторах воздействия критический пороговый эффективный размах КИН при разных факторах воздействия © И. С. ПИНЯК, 2004 130 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 2 К оценке кинетики упругопластического роста (йа! dN) х , (фа/ dN) х * (<1а1 Ш )1 , х (х у (йа/ т \ х (х У (йа/М )ш> х (х * (йа/ dN )х , (йа/ dN )х , (йа/ dN , АК х , АК х * АК# С1 , п1 ,С 2 , п2 #1 ,1 , #2 ,1 , #2,111 %,х , а1 —2,х , а2—3,х , аС,х У I Арх ,Арх * г Ь N х , N x * АК /. ту е#1,71 АК/с/. гй,Г2 скорость роста усталостной трещины (РУТ) на КДУР при разных факторах воздействия в случае наличия и отсутствия закрытия трещины скорость РУТ соответственно на первом, втором и третьем участках КДУР при разных факторах воздействия в случае наличия и отсутствия закрытия трещины скорости РУТ, номинальные и эффективные размахи КИН соответственно, они становят начало смещенной системы координат при разных факторах воздействия в случае наличия и отсутствия закрытия трещины эмпирические параметры для материала соответственно при эффективном и номинальном размахах КИН натуральные числа степенной функции в смещенной системе координат (показатели степени) текущая длина сквозной усталостной макротрещины при разных факторах воздействия в случае наличия и отсутствия закрытия трещины длина макротрещины на пороге трещиностойкости, в начале и в конце второго участка КДУР, при циклической вязкости разрушения геометрический фактор безразмерная длина трещины размах нагрузки в цикле при разных факторах воздействия в случае наличия и отсутствия закрытия трещины толщина образца размер образца вдоль оси трещины долговечность материала элемента со сквозной макротрещиной при воздействии в широком диапазоне разных факторов х в случае наличия и отсутствия закрытия вершины трещины критический эффективный размах КИН при первой температуре хрупкости (верхняя граница роста сквозной усталостной макротрещины при ее закрытии) критический пороговый эффективный размах КИН при второй температуре хрупкости (нижняя граница роста сквозной усталостной макротрещины при ее закрытии) П остановка задачи. Развитие современной техники, характеризующей ся интенсивным ростом рабочих параметров и снижением материалоемко сти, требует повышения прочности, надежности и долговечности материала элементов машин, конструкций и сооружений. В таких высоконапряженных условиях эксплуатации материал элементов должен быть высококачествен ным, т.е. сочетать в себе прочность (сопротивление деформации при отсут ствии трещиноподобных дефектов и трещин), надежность (сопротивление разрушению) и долговечность (сопротивление разрушению во времени). ISSN 0556-171х. Проблемы прочности, 2004, № 2 131 И. С. Пиняк Прочность материала при отсутствии в нем механических “рисок”, шлифовочных и штамповочных “сеток”, растрескивания, примесей, вклю чений, несплошностей, пор, трещин и других повреждений определяется с помощью классических критериев механики материалов [1, 2]. Однако, как показывает практика (современная дефектоскопия), в процессе изготовления элементов конструкций, сооружений, деталей машин невозможно полно стью исключить наличие в материале трещиноподобных дефектов и трещин. Таким образом, в материале до начала его эксплуатации уже имеется очаг разрушения элемента, который связан с закономерностями развития тре щины (сначала внутренней или поверхностной, а затем и сквозной). Следо вательно, определяемые характеристики прочности конструкционного мате риала являются условными величинами. Достоверными остаются предло женные ранее [3, 4] характеристики надежности и долговечности, поскольку они учитывают во времени процесс разрушения при совместном (раздель ном) влиянии силового ДК и эксплуатационных X факторов в широком диапазоне их воздействия, а также явления закрытия трещины. Оценка [3, 4] надежности и долговечности конструкционного материала в области упругопластического разрушения осуществляется с использова нием силового подхода, основанного на концепции критического коэффи циента интенсивности напряжений K Ic [5], и метода текущего раскрытия вершины трещины [6 , 7]. Для аналогичной оценки надежности и долго вечности материала элемента в области пластического разрушения необхо димо разработать энергетический подход (J -интеграл). В настоящее время процесс разрушения элемента с трещиной не рас сматривается в течение времени его развития при раздельном или совмест ном влиянии силового ДК и эксплуатационных X факторов (возможны разные схемы их воздействия, а электрохимический и коррозионный факто ры имеют свои особенности) в широком диапазоне, а изучается, к примеру, с помощью ограниченной зависимости К ic(T) - “Master Curve” [8 ] и др. Известно, что силовой фактор ДК в зависимости от формы воздей ствия на элемент создает постоянное (статическое, динамическое) или повторно-переменное (много- и малоцикловое) нагружение. При этом стати ческое и динамическое нагружения отличаются продолжительностью вре мени влияния силового фактора (скорость его нарастания), тогда как много- и малоцикловое - величиной и временем его действия. Постоянное нагруже ние составляет половину цикла повторно-переменного нагружения, что видно при исследовании с коэффициентом асимметрии цикла R = 0. Влияние любого фактора X на конструкционный материал опреде ляется по характеристике материала. При силовом подходе - это размах (номинальный ДК, эффективный Д К е̂ ) коэффициента интенсивности на пряжений, при энергетическом - J -интеграл. Разрушение материала протекает на суб- (зарождение трещины), микро- (рост микротрещины меньше размера зерна поликристаллического материа ла) и макроуровнях (рост макротрещины: короткой - внутренней, поверх ностной и длинной - сквозной, приводящей к полному разрушению образца или детали). 132 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 2 К оценке кинетики упругопластического роста Таким образом, процесс разрушения можно условно разделить на три этапа. Это позволит достоверно изучать и описывать во времени законо мерности зарождения суб- (нано-) и микротрещин (накопление поврежде ний, называемых в [9] нелокализируемыми усталостными), распространение микротрещины и макротрещины (короткая, длинная), находящихся под влия нием в широком диапазоне разных (одного) факторов, а также локального сопротивления материала. Для первого этапа разрушения вследствие протекания в материале элемента необратимых процессов, вызванных пластической деформацией, характерно накопление эксплуатационных локализируемых и нелокализи- руемых повреждений. Указанные повреждения - это наличие большого количества локальных зон пластического деформирования, зависящих от свойств материала и широкого воздействия во времени различных факторов. Кроме того, в материале до начала его эксплуатации могут наблюдаться производственно-технологические повреждения (механические “риски”, шли фовочные и штамповочные “сетки”, растрескивание, примеси, включения, несплошности, поры, трещины). В процессе его эксплуатации возможно влияние конструктивных недостатков (неправильный выбор материала по отношению к эксплуатационным X факторам, выбор заниженных размеров конструктивных элементов). В начале эксплуатации элемента в его наиболее опасно напряженной зоне могут “находиться” ранее нелокализируемые производственно-техно логические повреждения. В зоне они локализуются и являются уже очагом разрушения элемента. Одновременно с производственно-технологическими повреждениями эксплуатационные накапливаются вне (нелокализируемые) и в наиболее опасно напряженной зоне (локализируемые). Накопление лока лизируемых повреждений и их развитие определяют начало и процесс разрушения элемента. Нелокализируемые повреждения оказывают влияние на развитие локализируемых повреждений и служат очагом зарождения новых микротрещин. Микротрещина характеризует второй этап процесса разрушения материала элемента. В ходе развития микротрещины ее размер увеличивается, достигая размера зерна конструкционного материала (поликристаллического), и тре щина становится короткой (внутреняя, поверхностная), а затем длинной (сквозная). Начальная скорость распространения длинной трещины условно принята равной значению скорости 1 0 ” 1 0 м/цикл, определяющей (совмест но с короткой трещиной) начало третьего этапа разрушения материала элемента. Исследованию этого этапа и посвящена настоящая работа. При изучении закономерностей распространения усталостной макро трещины используется метод текущего раскрытия вершины трещины [6 , 7] с учетом отмеченных выше особенностей. Установленная функциональная зависимость скорости роста такой трещины от эффективного Д К ^ и номинального ДК размахов КИН представлена в логарифмических координатах ^ da\|dN - ^ Д К е̂ , ^ Д К . В работе [10] эмпирически описано закономерности роста длинной усталостной трещины в диапазоне влияния коэффициентов асимметрии ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 133 И. С. Пиняк цикла нагружения Я , Я , в [1 1 ] проанализировано и аналогично пред- ${с ставлено кинетику ее роста при различных внешних факторах X , X в широком диапазоне их воздействия с учетом наличия и отсутствия закрытия вершины трещины. Однако, как показала практика, с помощью указанного метода трудно проводить исследования конструкционных материалов в условиях крайне высоких и низких температур, высоких частот нагружения, а также радиаци онного облучения. Поэтому невозможно достоверно определить эффектив ные характеристики трещиностойкости материала и описать скорость роста сквозной усталостной макротрещины при экстремальных условиях его экс плуатации. Ниже показано, что, зная соотношение между эмпирическими пара метрами материала С і и С 2 , полученное при основных испытаниях, нет необходимости в проведении сложного эксперимента по определению эффек тивных характеристик циклической трещиностойкости в экстремальных и естественных условиях эксплуатации конструкционного материала. Такое решение позволяет достоверно определить верхнюю границу роста сквоз ной усталостной макротрещины в случае ее закрытия - А К^ х , а также описать скорость ее роста на всем интервале кинетической диаграммы усталостного разрушения с помощью параметров уравнения, учитывающих закономерности изменения кинетической диаграммы усталостного разру шения при различных экстремальных и естественных условиях эксплуата ции материала в широком диапазоне влияния внешних факторов, а также явления закрытия трещины. А нализ закономерностей роста сквозной усталостной макротре щины. Ранее [12] установлено, что при описании кинетики роста длинной усталостной трещины с помощью эффективного размаха КИН А К ер в логарифмических координатах ^ da\|dN — ^ А К ер используются эмпири ческие параметры материала С і , « і, а номинального размаха КИН А К в координатах ^ da\|dN — ^ АК - параметры С 2 , п 2. Соотношение между параметрами С 1 и С 2 имеет вид С 2 = С 2 _ А К П Г ' ' (1) Эмпирические параметры С 1 , п 1 и п 2 остаются постоянными в широ ком диапазоне воздействия одного фактора [10, 12]. Изменяется только параметр С 2 , который и необходимо определить экспериментально. Отме ченная закономерность наблюдается при воздействии любого из внешних факторов [1 1 ]. Описание кинетики роста сквозной усталостной м акротрещ ины . В работах [10, 11] скорость роста сквозной усталостной макротрещины (da /dN )х для полной кинетической диаграммы усталостного разрушения (на трех участках КДУР в смешанной системе координат) при воздействии в широком диапазоне разных (одного) факторов X и наличии закрытия вершины трещины определяется следующим образом: 134 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 К оценке кинетики упругопластического роста ( ) х = Сх(АК,,,х А К ^ х ) ” 2/2 ь к п̂Х Х -+ + \~ (л] АК ,И, X АК /с, X _ А К Х )д2Л ПРИ АК ,И, X - АКХ ^ АК 1 - 2, X ; 1 + (А K х -^ & К ,КX АК/с,X )?уп при АК2- 3,X <АKх < А К /С,X ; (2) С1 АKX2 АК /с1, X1 при АК 1 —2 X < АК X < АК 2—3, X ■ При отсутствии закрытия вершины трещины (факторы X ) зависимость (2) имеет вид ( йа\й№ ) С2(АК(КX . АК/с,X* ) П2/2 + + — я • “ /с,X• - “ * • > ' " ' 1 при А К ^ . . < АКХ. г д х ,—2,X• + <4 К - ^ V А^ X :А ^ ),2,П при Л 2—3.X- < 4 K х• < АК „.X- ; «3 ) С, ( • ) " ’ при МТ 1 _г х . < А К 1 • < “ 2- 3,X•- Смещенное начало системы координат (А К X ,(da\|dN )* ̂), связь между эффективным А К е/ / и номинальным АК X размахами КИН на втором участке КДУР определены ранее [10, 13]. Пороговые А К ,, X и критические А К /с X , а также номинальные размахи КИН, соответствующие началу АК 1 —2 X и концу АК 2 —3 X второго участка КДУР, установлены согласно [14] с использованием кинетических диаграмм усталостного разрушения в номинальных логарифмических координатах ^ da\|dN — ^ А К . Показатели степени д , , д 2 , и эффективный А К / , размах КИН на первом, а д 2 ш на третьем участках кинетической диаграммы усталостного разрушения при коэффициенте пропорциональности А = 1 в точках А К / 1 —2 , АК 1 —2 X , А К 2 —3 X , А К / сравнения скоростей роста усталостной макро- ’ ’ * * трещины [1 0 ] при вычитании из скорости (d a /d N )X или (d a /d N )е/ / (в начале смещенных систем координат) прироста скорости роста трещины на первом и сложении его со скоростью на третьем участках описываются следующим образом: 1е С 1 + ^ А К / ,1 —2 + М АК;с/ ,20 — А к / — ) 4 1,1 = 1й( А К / ,1 —2 АК с ,о ) 1 / 2 — А К / ,1 —2 ] ISSN 0556-17IX. Проблемы прочности, 2004, № 2 135 И. С. Пиняк 1 е С 1 — ( « 2 — « 1 ) 1 е АК /с /,х + 1 е[(А К й ,х А / ) п^ 2 — А К ^ х ] , ̂ Я 2 1 — 1/9 ; (5) ’ 1е[( А К й ,х АК/с,х ) 1 / 2 — А К 1 —2 ,х ] 1е С 1 — (п 2 — « 1 ) 1е АК /с/, х + 1е[АК «—3 , х — (А К ^, х АК /с> х ) ̂ ] М А К 2 —3 ,х — (А К Л,х АК/с,х ) 12] (6 ) А К е/ / ,1 - ( А К е//,1 —2 А К /с/,0 ) 1 2 — [(А К ^ ,х АК/с,х ) 1 / 2 —А К х ] Я2 + + С , ( А К е// ,1 —2 А К /с/ ,о) щ/2 (А К л ,х А К /с,х ) п^ 2 АК /с/,х при А К ^ ,х - А К х - А ^ 1 —2 ,х ■ (7) В формулах (8 ), (10) [10] скорость в начале смещенной системы коорди нат умножалась на прирост скорости роста усталостной трещины на первом участке кинетической диаграммы усталостного разрушения, при этом была допущена ошибка в определении Я ц , # 2 : . Полученные показатели степени определяются следующим образом: п 1 (1ё А К е/ / ,1 —2 — ^ АК/с/ ,о) , 2 М л/ А К е//,1 —2 А К /с/, 0 — А К е//,1 —2 ) - п 2 (21§ А К 1—2 ,х — ^ А К Л х — ^ А К /с,х ) , 2 А К гН,х А К /с,х — А К 1 —2 ,х ) п 2 —п 1 Достоверными остаются показатели степени Я ц , я 2 Г, я 2 ш и эффек тивный А К е/ / 1 размах КИН, определенные путем вычитания из скорости (da \|dN )х или ( йа/d N ) / прироста скорости роста трещины на первом и сложения его со скоростью на третьем участках кинетической диаграммы усталостного разрушения (4)-(7). Верхняя граница роста длинной усталостной трещины в случае ее закрытия А К /с/ х определяется экспериментально [13]. Однако в экстре мальных условиях эксплуатации конструкционного материала предложенная ранее [13] методика труднореализуема из-за сложности применения метода текущего раскрытия вершины трещины [6 , 7]. Исходя из этого восполь зуемся соотношением ( 1 ), и верхнюю границу роста сквозной усталостной макротрещины найдем по формуле 136 ISSN 0556-171х. Проблемы прочности, 2004, № 2 К оценке кинетики упругопластического роста / с \ 1 /(п2 “п1 ) А К с “ ( с т ) ■ (8 ) Долговечность Я х материала элемента с трещиной при воздействии в широком диапазоне разных (одного) факторов X в случае закрытия ее вершины определяется путем интегрирования формулы скорости роста сквозной усталостной макротрещины (2 ): “1-2, X К х = I daх аЛ, X с 1(АКл х А К с х )П2'2 ( АК ___/с п 2 —п 1 А РхЛ/Х + ■ /с1, X Л IТ п2 - п 1 а2—3 X 1АК 1Ы, х 3 х da ^ А К л , X АКус, X ?2,1 ■ + У , X с , I X а1—2, X I ш X& ру 4 х ■ + У а/с, X + I :2—3, X daX а С 1 (АК; АКу,,X ) п^ 2 / а р х л/Х - + АК /с1, X - ^ У 92,111 (9) в случае отсутствия закрытия вершины трещины (факторы X ) - интегри рованием формулы (3): а * 1—2, X N х • = 1 da X с А Р у ,л/Х ^ х У ■ + + — I с а 2—3гх da X а 1—2, X А Р „ л / Х ■ + X а * /с , х + I а 2—3, X 4̂ь da У х / С 2< А К ,Л, X • АК/с, X • ) + АР л/ХX г4ь * х ' ‘ /с х '" #2,111 0556-171х. Проблемы прочности, 2004, № 2 (1 0 ) 137 п2 аЛ , X п 2 И. С. Пиняк На каждом участке КДУР величина У зависит от текущей длины сквозной усталостной макротрещины ах и определяется для разных типов образцов. Особенности распространения сквозной усталостной макротрещ ины в металлах при упругопластическом разрушении. Известно, что законо мерности роста усталостной макротрещины в металлических материалах можно проиллюстрировать графически с помощью кинетических диаграмм усталостного разрушения в номинальных [11, 14], номинально эффектив ных [10, 12, 13] логарифмических координатах и описать эмпирически в течение времени воздействия в широком диапазоне разных факторов [ 1 0 , 1 1 ]. На практике встречаются следующие типы кинетических диаграмм усталостного разрушения [14-16]: полные или неполные (без третьего участка) Б-образные кривые, симметричные относительно средней точки КДУР; кривые с отклонениями от Б-образного типа в виде локальных различных аномалий - горб, впадина, без загиба вверх (на третьем участке), вниз (на первом), а также скачки. Кроме того, каждому участку КДУР присущи свои закономерности роста трещины, механизмы разрушения и закрытия-раскрытия вершины трещины. Иногда первый участок принимает близкое к вертикальному положение, что вызывает сомнения в научных кругах о его физической и механической природе (предпринимаются попыт ки объяснить это рассеянием свойств материала). В [9, 15-17] отмечалось, что трещина растет стабильно или нестабильно (скачками). Для решения существующих проблем воспользуемся данными работ [18, 19]. При этом заметим, что закономерности закрытия-раскрытия вер шины трещины изучались экспериментально по предложенному в [6 , 7] методу на базе измерения раскрытия вершины трещины Я < у < 3,6 мм (Я - параметр, характеризующий контур пластической зоны в вершине трещины), что соответствует К -доминантной зоне упругого деформирования материала у вершины трещины [17]. Ранее в [18, 19] экспериментально установлено, что механизм Элбера (остаточные сжимающие напряжения) состоит из пластической зоны в вер шине трещины и пластического потока вдоль ее берегов. Реальная пласти ческая зона препятствует развитию трещины в неразрушенной части сече ния образца, детали, а пластический поток (наличие на берегах реальной усталостной трещины пластически деформированного материала, увеличен ного в размерах по сравнению с исходным недеформированным материалом, порождающим остаточные сжимающие напряжения вдоль берегов трещи ны), смыкая берега трещины, сдерживает ее рост в цикле. Необходимо отметить, что пластическая зона имеет место до разруше ния образца, детали, а наличие пластического потока описывается крите рием роста трещины в широком диапазоне воздействия одного фактора Л К /с!.1к ,Х < Л К е// < Л К /е1,X ■ Полученные ранее данные [18, 19] свидетельствуют, что на первом участке КДУР усталостная макротрещина закрывается в цикле до самого высокого уровня (характеристика закрытия трещины Л К ^ близка к номи 138 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 К оценке кинетики упругопластического роста нальному размаху КИН ДК). При этом механизмами закрытия трещины, которые влияют на величину ДК°р , т.е. на закономерности роста трещины, являются: шероховатость, окислы и фреттинг-коррозия на поверхностях излома - расклинивающие; остаточные сжимающие напряжения в вершине и вдоль берегов трещины - препятствующий и сдерживающий рост тре щины. Номинальный размах КИН ДК на первом участке низкий, значит, роль препятствующего и сдерживающего рост трещины механизмов будет незначительной, в то время как роль расклинивающих механизмов - сущест венной (продолжительные испытания). В результате действия последних трещина расклинивается и простаивает в течение многих циклов, а затем проскакивает на величину, соизмеримо большую для первого участка. Таким образом, поскольку малым приращениям номинального размаха КИН ДК соответствуют большие приращения скорости роста трещины da/dN, иногда первый участок принимает близкое к вертикальному расположение, а разру шение протекает по механизмам скола или сдвига. При высоких темпе ратурах (выше 623 К) в стали 08Х18Н10Т на первом участке ниже скорости роста трещины da\|dN = 1 0 - 9 м/цикл развиваются нелокализируемые по вреждения, которые тормозят развитие магистральной трещины (положи тельный эффект). На втором участке в пределах наличия закрытия трещины усталостная макротрещина развивается стабильно по бороздчатому механизму разру шения. После того как остаточные сжимающие напряжения вдоль берегов макротрещины перейдут в пластическую зону напостоянно (трещина рас крыта в цикле), начинается (или может начаться) ее нестабильный рост или (для состаренного материала, например трубная сталь17ГС) вдоль магист ральной трещины развивается множество коротких трещин, которые созда ют пластический поток, ложно закрывающий ее, что не позволяет корректно определить критический размах КИН Д К ^ . Наличие горба, впадины и отсутствие загиба на третьем участке номи нальной КДУР показывают, что материал создан для конкретных условий эксплуатации (решены структурные, производственно-технологические, фи зико-химические вопросы) или что он работает в не предназначенных для него условиях эксплуатации, возможно критических. Граничное упругопластическое состояние материала элемента с трещ иной и типы его разруш ения. Полученные ранее [3, 12, 13, 18, 19] экспериментальные данные позволяют построить зависимость эффектив ного Д К егг и номинального Д К х размахов КИН от размаха нагрузки ДРх ^ * при воздействии в широком диапазоне разных факторов X , X (рисунок). Характеристики материала, описывающие эту зависимость, определяют тип разрушения и опасное граничное состояние (граничная кривая) элемента с трещиной в области упругопластического разрушения. Характеристика мате риала Д К ^ (на рисунке кривая 1 ) свидетельствует, что сталь Б9Н (при меняется при изготовлении тракторов “Катерпиллер”) создана для работы при низких климатических температурах. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 139 И. С. Пиняк Зависимость ДКе.д- (сплошные линии) и АКХ (штриховая линия) от АРХ для стали В9Ы при Т = 293...125 К (1) и Я = 0,1...0,75, Т = 623, 293...125 К, статическое нагружение (2, 3): I - вязкое разрушение при воздействии различных факторов; II - квазихрупкое при снижении низких температур и росте нагрузки; III - хрупкое при крайне низких температурах и увеличении нагрузки (исчерпывается пластичность материала к условно нулевому значе нию); IV - вязкое при повышении высоких температур или нагрузки с развитием пластич ности, переходящей в пластический коллапс; V- вязкое при росте силового фактора в случае совместного влияния постоянного и повторно-переменного нагружений. Ниже предлагается следующая схема достоверного описания кинетики распространения сквозной усталостной макротрещины в экстремальных или естественных условиях эксплуатации конструкционного материала при воздействии в широком диапазоне одного (разных) фактора. 1. Проведение основных испытаний (атмосферное давление, воздух с относительной влажностью 40...60%, коэффициент асимметрии цикла нагру жения 0 < Я < 0,1, Т = 290...296 К, / = 10...20 Гц, синусоидальная форма цикла, тип нагружения I) компактного образца по описанным ранее методам [6 , 7, 14] и построение кинетической диаграммы усталостного разрушения в координатах ^ ёа/ёЫ - ^ А К ^ , ^ Д К . 2. Нахождение эффективных и номинальных характеристик циклической треЩиН°стойкости Д К е//,1 - 2 , Д К с ,0 , Д К 1 - 2 ,X , Д К 2-3,X , Д К 1Ь,X , Д К X , а также эмпирических параметров С 1 , « 1 , С 2 , п 2 - 3. Определение согласно [10, 11, 13] смещенного начала системы* * координат (Д K x ,(ёа/ёЫ ) X ), связи между эффективным Д К е̂ и номиналь ным Д K x размахами КИН на первом и втором участках КДУР: Д К е̂ ъ Д К е// п , показателей степени на первом и третьем: Ц ц, д 2 1 , д 2 щ. 4. Проведение испытания компактного образца по методу [14] и постро ение кинетической диаграммы усталостного разрушения в координатах ^ ёа/ ёЫ - ^ Д К . 5. Нахождение номинальных характеристик циклической трещино стой кости ДК 1 - 2 X , ДК 2 - 3 X , Д К ^ X , ДК с X и эмпирического параметра С 2 . 6 . Определение с использованием соотношения (8 ) верхней границы роста сквозной усталостной макротрещины при ее закрытии ДК с X . 140 0556-17№. Проблемы прочности, 2004, N 2 К оценке кинетики упругопластического роста 7. Описание по формулам (2), (3) скорости роста длинной усталостной трещины в широком диапазоне воздействия одного фактора. 8 . Описание скорости роста усталостной макротрещины при воздейст вии различных факторов аналогично влиянию одного фактора. 9. Определение по формулам (9), (10) долговечности N х материала элемента с трещиной при воздействии в широком диапазоне разных факто- * ров в случае наличия (X ) и отсутствия закрытия (X ) вершины трещины. 10. Определение по зависимости Д К е̂ , Д К х ~ Д Рх (рисунок) опас ного граничного упругопластического состояния материала элемента с тре щиной и типов его разрушения при воздействии различных факторов. Заключение. Полученное ранее соотношение между параметрами мате риала С і и С 2 позволяет эмпирически устанавливать верхнюю границу ДК с х роста длинной усталостной трещины в случае ее закрытия. Скорость роста сквозной усталостной макротрещины на всем интер вале кинетической диаграммы усталостного разрушения достоверно описа на с помощью параметров уравнения, учитывающих закономерности ее изменения при различных экстремальных или естественных условиях эксп луатации конструкционного материала в случае воздействия разных факто ров и явления закрытия трещины. Долговечность материала элемента с трещиной при воздействии разных (одного) факторов в случае наличия и отсутствия закрытия вершины трещины определена путем интегрирования формул для скорости роста макротрещины. Анализ кинетики роста усталостной макротрещины показал, что ста бильность распространения трещины обеспечивается наличием остаточных сжимающих напряжений вдоль ее берегов. Определены опасное граничное упругопластическое состояние мате риала элемента с трещиной и типы его разрушения при воздействии раз личных факторов. Предложена методика достоверного описания кинетики распростране ния длинной усталостной трещины в экстремальных или естественных условиях эксплуатации конструкционного материала при воздействии в широком диапазоне одного (разных) фактора. Автор выражает благодарность канд. техн. наук В. А. Ромащенко за ценные рекомендации. Р е з ю м е Завдяки отриманому раніше автором співвідношенню між емпіричними параметрами С і и С 2 відпадає необхідність у постановці в екстремальних і природних умовах складного експерименту по визначенню ефективних характеристик циклічної тріщиностійкості конструкційного матеріалу і верх ньої межі ДК с х поширення в ньому тріщини від утомленості за наявно сті закриття вістря тріщини. Результати основних випробувань по визна ченню номінальних, ефективних характеристик циклічної тріщиностійкості і отримане співвідношення достовірно описують кінетику поширення макро- тріщини на всьому інтервалі кінетичної діаграми втомного руйнування за ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 141 И. С. Пиняк допомогою рівняння, що ураховує закономірності її зміни в широкому діапазоні дії різних чинників в екстремальних і природних умовах та при закритті тріщини. За вказаних умов визначена довговічність матеріалу еле мента з тріщиною та його небезпечний граничний стан. Аналіз кінетики росту наскрізної утомної макротріщини свідчить, що стабільність поширен ня тріщини забезпечується наявністю залишкових стискуючих напружень вздовж її берегів. 1. Прочность материалов и элементов конструкций в экстремальных условиях: В 2 т. / Под ред. Г. С. Писаренко. - Киев: Наук. думка, 1980. 2. Критерии прочности // Сопротивление материалов / Под ред. Г. С. Писа ренко. - Киев: Вища шк., 1986. - С. 200 - 214. 3. Піняк I. С. Двохпараметричний підхід до розрахунку на міцність конст руктивного елемента з тріщиною // Междунар. конф. “Конструкцион ная прочность материалов и ресурс оборудования АЭС” (Киев, май 2003 г.): Тез. докл. - Киев: ИПП им. Г. С. Писаренко НАН Украины, 2003. - С. 94. 4. Пиняк И. С., Кобельский С. В. Циклическая долговечность конструкцион ного материала с трещиной с учетом условий эксплуатации // Междунар. конф. “Конструкционная прочность материалов и ресурс оборудования АЭС” (Киев, май 2003 г.): Тез. докл. - Киев: ИПП им. Г. С. Писаренко НАН Украины, 2003. - С. 95. 5. Irving G. R. and Washington D. Analysis of stresses and strain near the end of a crack traversing a plate // J. Appl. Mech. - 1957. - 24, No. 3. - P. 361 - 364. 6 . Піняк I. С. Методологія вивчення закономірностей поширення втомної тріщини за критерієм росту - поточним і обмеженим ефективним розмахом КІН // Вибрации в технике и технологиях. - 2001. - № 5. - С. 50 - 53. 7. Красовський А. Я., Піняк I. С. Метод поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження // Пробл. прочности. - 2002. - № 4. - С. 12 - 27. 8 . Wallin K. The scatter in KIc results // Eng. Fract. Mech. - 1984. - 19. - P. 1085 - 1093. 9. Трощенко В. Т. Некоторые особенности роста усталостных трещин на различных стадиях их развития // Пробл. прочности. - 2003. - № 6 . - С. 5 - 29. 10. Пиняк И. С. Аналитическое описание скорости роста усталостной тре щины в металлах при различных асимметриях цикла нагружения // Там же. - 2001. - № 5. - С. 111 - 119. 11. Красовский А. Я., Пиняк И. С. Аналитическое описание скорости роста усталостной макротрещины в металлах при различных условиях их эксплуатации // Праці IV Міжнар. симп. з трибофатики (ISTF4). - Тернопіль, 2002. - Т. 1. - С. 284 - 289. 142 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 2 К оценке кинетики упругопластического роста 12. Пиняк И. С. О достоверном уравнении второго участка кинетической диаграммы усталостного разрушения // Пробл. прочности. - 1999. - № 3. - С. 83 - 87. 13. Піняк I. С. Рівняння другої ділянки кінетичної діаграми втомного руйнування за різних додатніх асиметрій циклу навантаження // Там же. - 2000. - № 2. - С. 75 - 80. 14. Методы механических испытаний материалов. Определение характе ристик трещиностойкости при циклическом нагружении. Методические указания. Сер.: Проблемы прочности, долговечности и надежности продукции машиностроения. - М.: МНТК “Надежность машин”, 1993. - 56 с. 15. Механика разрушения и прочность материалов: В 4 т. / Под ред. В. В. Панасюка. - Т. 4. Усталость и циклическая трещиностойкость конст рукционных материалов. - Киев: Наук. думка, 1990. - 679 с. 16. Трощенко В. Т., Покровский В. В. Влияние цикличности нагружения на характеристики трещиностойкости сталей. Сообщ. 2 // Пробл. прочности. - 1980. - № 12. - С. 14 - 17. 17. Schijve J. Fatigue of structures and materials in the 20th century and the state of the art // Proc. of the 14 Biennial Conf. on Fracture (ECF14). - Warsaw, 2002. - Vol. III. - P. 211 - 262. 18. Пиняк И. С. Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины // Пробл. прочности. - 2002. - № 1. - С. 8 8 - 101. 19. Пиняк И. С. Вязкохрупкий переход в хладноломких металлах при многоцикловом нагружении // Там же. - № 5. - С. 53 - 69. Поступила 11. 04. 2002 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 2 143

К оценке кинетики упругопластического роста сквозной усталостной макротрещины в металлах при экстремальных и естественных условиях эксплуатации

Репозитарії

Схожі ресурси