Розробка та експериментальне обґрунтування критерію поширення втомної тріщини за параметром поточного розкриття її вістря

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка та експериментальне обгрунтування критерія поширення втомної тріщини за параметром поточного розкриття її вістря

01.02.04 - механiка деформівного твердого тiла

Піняк Іван Степанович

Київ-2001

УДК 539.4:620.17:620.191

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем міцності

Національної академії наук України

Науковий керівник:	член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Красовський Арнольд Янович, завідувач відділу фізичних основ міцності та руйнування Інституту проблем міцності НАН України
Офіційні опоненти:	Покровський Володимир Вікторович, доктор технічних наук, професор, завідувач відділу механіки руйнування великогабаритних конструкцій Інституту проблем міцності НАН України
	Кирян Валерій Іванович, доктор технічних наук, професор, завідувач відділу міцності зварних конструкцій Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Провідна установа	Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, м. Київ

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту проблем міцності НАН України, 01014, м. Київ, вул. Тимірязєвська, 2

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Карпінос Б.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучаснi тенденцiї розвитку технiки характеризуються iнтенсивним ростом робочих параметрiв обладнання з одночасним зниженням його матерiалоємностi. При цьому на перший план виноситься питання пiдвищення міцності, надiйностi і довговiчностi елементiв машин, конструкцiй та споруд. Однак, як показує практика, в процесi виготовлення i експлуатацiї такого високонапруженого обладнання неможливо виключити наявнiсть у конструкційному матерiалi трiщиноподiбних дефектiв або трiщин.

В звязку з цим, при вирiшеннi питання надiйностi і довговiчностi елементiв конструкцiй, споруд та машин особливу актуальнiсть набувають, концепції, моделі, пiдходи, методи, критерiї оцiнки працездатностi матерiалу, що враховують його реальні умови експлуатацiї, наявність в ньому трiщиноподiбних дефектiв.

Найбiльш розповсюдженими серед них, з практичної точки зору, є пiдходи механiки руйнування в лiнiйному варiантi. Вона вивчає властивiсть матерiалу чинити опiр розповсюдженню в ньому трiщини за реальних умов експлуатацiї (впливу різних механiчних, стуктурних, фiзико-хiмiчних чинників).

Пiдходи лiнiйної механiки руйнування отримали інтенсивне розповсюдження при визначеннi циклiчної трiщиностiйкостi матерiалiв, що дозволило вести оцiнку механiчної рушiйної сили росту втомної трiщини у вузькому діапазоні дії чинника і низької опрацьованості та достовірності методів визначення зусилля, необхідного для розкриття вістря втомної тріщини (далі за текстом розкриття трiщини).

З цієї причини виникла необхідність розвинути методологію вивчення закономірностей поширення втомної трiщини в металах на основі експерименально обгрунтованого критерія її росту за параметром поточного розкриття трiщини. Методологію, яка б дозволила достовірно вивчати ці закономірності в реальних умовах експлуатації конструкційного матеріалу, а експериментально розроблений критерiй поширення втомної трiщини надавав би можливість з допомогою інваріантних ефективних кiнетичних дiаграм втомного руйнування (КДВР) достовiрно описувати кiнетику її росту, ураховувати конкректну поведінку матеріалу у вістрі втомної трiщини, емпірично описувати закономірності її поширення у широкому діапазоні дії основних чинників її руху.

Така методологія може бути реалізована лише за умови достовірного урахування впливу явища змикання-розмикання вістря втомної тріщини (далі за текстом змикання-розмикання трiщини) та реєстрації поточного значення її розкриття. Під поточним розкриттям трiщини розуміється розкриття вістря підростаючої втомної трiщини, що вимірюється весь час на сталій відстані від її вістря.

Закриття трiщини (ЗТ) характерне для припорогових значень коефiцiєнта iнтенсивностi напружень (КIН). Його вплив на закономірності поширення втомної тріщини монотонно послаблюється по мiрi росту КIН і зникає десь в границях другої дiлянки КДВР. Границя впливу закриття вістря втомної трііщини (далі за текстом закриття трiщини) на закономірності її поширення на середній ділянці КДВР не пiддається простому прогнозуванню за якими-небудь критерiями моделювання або фрактографiчної iндикацiї, а оцiнити його аналiтично дуже важко. Явище закриття тріщини на сьогодні практично не вивчено як в експериментальному, так i в теоретичному планi. З цієї причини не доводиться достовірно визначати ефективний розмах КІН, а також описувати кінетику росту втомної тріщини.

Таким чином, на сьогоднi iснує дуже важлива i актуальна як в науковому так i в практичному планi задача експериментального дослiдження закономірностей поширення втомної трiщини в конструкційному матеріалі за реальних умов його експлуатації (асиметрiї циклу навантажування, температури оточуючого середовища) з урахуванням впливу явища закриття тріщини.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до плану робіт держбюджетної наукової теми 1.10.2.8-81 та господарчих договорів Інституту проблем міцності НАН України, цільової комплексної програми Державного комітету з науки та техніки СРСР “Гірничодобувна і дорожно-будівельно техніка для Півночі”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у розвитку методології вивчення закономірностей поширення втомної трiщини в металах на основі експериментально розробленого критерія росту за параметром поточного розкриття її вістря та обгрунтуванні досліджень зокономірностей її поширення в двох конструкційних сталях за різних додатніх асиметрiй циклу навантажування та низьких температур.

Базовими для досягнення зазначеної мети були: метод визначення швидкості поширення втомної тріщини та характеристик тріщиностійкості в умовах багатоциклового навантаження без та з урахуванням явища закриття тріщини; методи визначення зусилля, необхідного для розкриття тріщини, математичний апарат механіки руйнування.

Для розвязання поставленої задачі неохідно було:

розвинути методологію вивчення закономірностей росту втомної тріщини в металах на основі експериментально обгрунтованого критерія поширення втомної тріщини за параметром поточного розкриття її вістря;

вивчити закономірності поширення втомної тріщини в двох конструкційних сталях за результатами прямого виміру поточного розкриття її вістря в умовах різних додатніх асиметрій циклу навантажування та низьких температур;

емпірично описати швидкость росту втомної тріщини на другій ділянці кінетичної діаграми втомного руйнування з урахуванням наявності явища змикання-розмикання її вістря;

експериментально обгрунтувати та емпірично описати критерієм росту втомної тріщини закономірності її поширення, межі якого визначаються поточним розкриттям тріщини.

Наукова новизна отриманих результатів. На основi критичного аналізу критеріїв, моделей, підходів, що формують розвиток механіки руйнування, та методик визначення зусилля, необхідного для розкриття тріщини, розвинуто методологію вивчення закономірностей поширення втомної трiщини в металах на базі експериментально обгрунтованого критерія росту за параметром поточного розкриття її вістря. Розроблено оригінальний метод визначення зусилля і поточного розкриття тріщини, що дозволив вперше провести прямі виміри її поточного розкриття без інтерполяції результатiв вимiру на вістря втомної тріщини.

За результатами прямого виміру поточного розкриття тріщини в умовах різних додатніх асиметрій циклу навантажування та низьких температур достовірно описано кінетику росту втомної тріщини.

Запропоновано новi характеристики циклiчної трiщиностiйкостi матеріалу: критичний ефективний і критичні ефективні пороговий та інваріантний (характеристика втрати інваріантності ефективних КДВР) розмахи КІН, характеристику закриття тріщини, що дозволяють описати важливі ефекти при поширенні втомої тріщини.

Виявлено, що при навантаженні менше критичного ефективного інваріантного розмаху КІН спостерігається інваріантність ефективних КДВР за додатніх асиметрій (при кімнатній температурі) та низьких температурах.

Експериментально обгрунтовані та емпірично описані критерієм присутності закриття тріщини межі впливу явища змикання-розмикання тріщини на закономірності її поширення.

Виявлено новий ефект зростання характеристики закриття тріщини від порогового до максимального значення з її подальшим згасанням до нуля в залежності від номінального розмаху КІН.

Розроблено модель згасання характеристики закриття тріщини за різних додатніх асиметрій циклу навантажування.

Емпірично описано швидкість росту втомної тріщини на другій ділянці кінетичної діаграми втомного руйнування за однієї та різних додатніх асиметрій циклу навантажування з урахуванням явища змикання-розмикання її вістря.

Встановлено експериментальний і емпіричний звязок між ефективним та номінальним розмахами КІН за різних додатніх асиметрій циклу навантажування на другій ділянці КДВР.

Закономірність поширення втомної тріщини в конструкційних матеріалах за реальних умов експлуатації описується експериментально обгрунтованим критерієм її росту, межі якого визначаються поточним розкриттям тріщини, критерієм присутності закриття тріщини.

Практичне значення одержаних результатів. Метод поточного розкриття тріщини дозволив вести прямий вимір зусилля і поточного розкриття тріщини за реальних умов експлуатації конструкційних матеріалів, що сприяє достовірному описанню кінетики росту втомної тріщини.

Експериментально отримані критерії присутності закриття тріщини та її росту дозволили вивчити закономірність поширення тріщини в конструкційних матеріалах за реальних умов їх експлуатації і емпірично описати швидкість поширення втомної тріщини на другій ділянці КДВР за однієї та різних додатніх асиметрій циклу навантажування з урахуванням явища змикання-розмикання її вістря.

З допомогою залежностей характеристики закриття тріщини від номінального розмаху КІН, а також критичного ефективного інваріантного розмаху КІН показано, що сталь Ст.30Л-1 як конструкційний матеріал мало придатна для роботи в умовах низької кліматичної температури. Відома сталь 20ХГСФА-1 може бути рекомендована для виготовлення боковини трактора Т-330 тільки за умови проведення аналогічних її експериментальних досліджень.

Залежності характеристики закриття тріщини від номінального розмаху КІН виступають у ролі виміру “накопичення”, “запасу” циклічної тріщиностійкості матеріалу і узагальнюють вплив механізмів закриття тріщини на закономірності її розвитку. Разом з критичним ефективним інваріантним розмахом КІН вони дозволяють оцінювати вплив механізмів закриття тріщини на закономірності її поширення, що залежні від технологічних, фiзико-хiмiчних, стуктурних, механiчних, експлуатаційних та ін. чинників.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: II Всесоюзному симпозiумi “Механика разрушения” (Житомир 1985), Всесоюзній конференцiї “Механические свойства и разрушение сталей при низких температурах” (Ленiнград, 1988), Всесоюзній конференцiї “Прочность и надежность экскаваторов для открытых горных работ” (Красноярськ, 1988), Всесоюзнiй конференцiї “Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения” (Киев,1988), III Всесоюзному симпозiумi “Механика разрушения. Трещиностойкость материалов элементов конструкций” (Житомир, 1990), III Всесоюзнiй конференцiї “Прочность материалов и конструкций при низких температурах (Вiнниця, 1991).

Публікації та особистий внесок здобувача. За матеріалами дисертацiйної роботи опубліковано 14 наукових праць. Кількість основних авторських публікацій у фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України, складає 5. Одержано 2 авторських свiдоцтва на винахiд. Отримані результати це творчий доробок здобувача.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків. Обсяг роботи викладено на 133 сторінках друкованого тексту, в тому числі 34 рисунки, 3 таблиці та список використаних джерел на 231 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі надано загальну характеристику роботи: розкрито сутність і висвітлено стан наукової проблеми, обгрунтовано необхідність проведення досліджень, відзначено актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі роботи, показано наукову новизну і практичну цінність та достовірність результатів роботи, особистий внесок здобувача, коротко викладений зміст роботи.

У першому розділі проведено огляд літературних джерел та окреслено основні етапи короткого історичного розвитку наукової думки на проблему достовірного описання кінетики росту втомної тріщини. Відмічено досягнення у розвязанні проблеми та критично зауважено на її низьку опрацьованість, а також на не вирішені питання.

З аналізу напружено-деформівного стану у вістрі тріщини витікає, що силовий критерій механіки руйнування більш зручний в інженерній практиці ніж енергетичні та деформаційний, поскільки надає можливість гранично просто звязувати процес руйнування, локалізований в мікрообємах, з його макроскопічними зовнішніми параметрами та геометрією тіла. За таких умов проста експериментальна залежність перетворюється на характеристику матеріалу.

Серед існуючих моделей поширення втомної тріщини тільки модель ефективного розмаху КІН, що запропонована Елбером і заснована на силовому критерію, в значній мірі ураховує особливості поведінки матеріалу у вістрі трiщини та феноменологічне явище її змикання-розмикання.

Звісно, що функціональні залежності між швидкістю росту втомної тріщини і номінальним розмахом КІН, що відображені в логарифмічних номінальних координатах, надають оцiнку механiчної рушiйної сили росту втомної трiщини у вузькому діапазоні дії чинника. КДВР, що описуються залежністю в логарифмічних ефективних координатах є сумнівними у своїй достовірності з причини низької опрацьованості та надійності методів визначення зусилля, необхідного для розкриття тріщини, що отримане за інтерполяції результатів виміру розкриття тріщини на її вістря.

Висвітлені впливи асиметрії циклу навантаження, температури оточуючого середовища на швидкість поширення втомної тріщини дозволили автору роботи зауважити, що надійна оцінка цього впливу може бути надана тільки експериментальним шляхом з урахуванням закриття тріщини і повязаних з ним явищ та ефектів.

Аналіз методів розрахунку та експериментальних методик визначення зусилля, що необхідне для розкриття тріщини в циклі (останні класифіковано на чотири групи), дозволяє запевнити, що найбільш достовірними серед них є методи четвертої групи, котрі засновані на реєстрації зміни податливості зразка з тріщиною. Вони беруть свої ви-токи з концепції Елбера і дозволяють в процесі експерименту з певною достовірністю вимірювати механічне зусилля, що необхідне для розкриття тріщини в циклі. Однак, їхній основний недолік це необхідність інтерполяції ре-зультатів виміру на вістря тріщини.

Роботи по вивченню впливу закриття тріщини на кінетику росту та методів визначення зусилля розкриття її вістря в циклі переконливо вплинули на думку автора про необхідність розвитку методології вивчення закономірностей поширення втомної трiщини в конструкційному матеріалі на основі експериментально обгрунтованого критерія її росту за параметром поточного розкриття трiщини, яка б дозволила достовірно вивчати закономірності поширення втомної трiщини за реальних умов його експлуатації (асиметрiї циклу навантажування, температури оточуючого середовища та ін.) з урахуванням впливу явища закриття тріщини. Виходячи з цих обставин була поставлена мета роботи та сформульовані задачі дослідження.

Другий розділ присвячений розробці методу визначення поточного розкриття тріщини: вибору матеріалу, типу зразка для проведення випробувань на установці, схеми навантаження, реконструкції датчика розкриття берегів тріщини в датчик розкриття вістря тріщини, створенні способу і устаткування поточного розкриття тріщини.

Предметом дослідження обрано сталі Ст.30Л-1 та D9H, що використовуються для виготовлення корпусних елементів промислових тракторів північного виконання Т-330 і “Катерпілер” російського та американського виробництва, відповідно. Цей вибір обгрунтований існуючою практичною проблемою - чисельними випадками катастрофічного руйнування боковини трактора Т-330 та поставленою метою роботи. Обрані матеріали відповідають цим вимогам, оскільки вони працюють в умовах крайньої Півночі, звісно піддаються впливу низької кліматичної температури до -600С та додатньої асиметрії циклу навантаження. Закономірності поширення втомної тріщини вивчали на компактних зразках з нецентровим розтягом. Товщина зразка 12,5мм обрана у відповідності до товщини стінок боковини трактора (її товщина <15…16мм).

Зразки випробовували за вказаних вище умов на універсальній електрогідравлічній машині УРС 20/6000 з частотою навантажування 15Гц, згідно методу визначення швидкості поширення втомної тріщини та характеристик тріщиностійкості.

Навантажування зразка здійснювали згідно схеми І деформування тіла з тріщиною (нормальний відрив). Його коректність залежить від центровки зразка в гідравлічних захоплювачах, що в свою чергу впливає на достовірність результатів експерименту. З цієї причини сконструйовано пару вузлів кульових опор, що забезпечують точну центровку зразка в гідравлічних захоплювачах.

Реконструкція датчика розкриття берегів тріщини полягає в тому, що два його ножі замінено на пару щупів спеціальної конструкції. Кожен зі щупів має дві голки спеціальної конструкції. На одній з голок нанесено візирну мітку.

Суть методу полягає в тому, що на бокових поверхнях компактного зразка на нецентровий розтяг нарізають дві пари канавок симетрично лінії передбачуваного росту втомної тріщини. Голки щупів датчика розміщують в канавках, глибиною z 0,2 мм на відстані одна від одної у 3,6 мм. Голки виставляють на рівень рухомого вістря тріщини і по мірі її росту переміщують їх з допомогою мікрометричного гвинта так, щоби черговий замір переміщення берегів вістря тріщини у вертикальному напрямку на боковій поверхні зразка виконувався на одній і тій же відстані з точністю до 14 мкм позаду її вістря. Знімають залежність зусилля від переміщення берегів вістря тріщини в циклі. Інерцію маси корпуса датчика гасять з допомогою телескопічного демпферного вузла.

Довжину тріщини вимірюють з допомогою оптичного мікроскопа, типу МБС-9, що має можливість переміщуватися в горизонтальному напрямку вздовж лінії росту тріщин. Один окуляр мікроскопа освітлюється стробоскопом, а другий використовується для вимірювання довжини тріщини. Довжину тріщини вимірюють шляхом зіставлення на одній лінії вістря тріщини та вимірювальної поділки другого окуляра мікроскопа.

Поточні значення зусилля, розкриття вістря тріщини циклів знаходять з їх залежностей (згідно способу Романіва), що отримані за одночасних вимірів довжин тріщини. Одночасність кожного виміру їх залежності з виміром довжини тріщини забезпечується шляхом зіставлення в другому окулярі мікроскопа на одній лінії кожної виміряної довжини тріщини з візирною міткою.

На завершення ведуться розрахунки КІН розкриття тріщини згідно методу визначення швидкості поширення втомної тріщини та характеристик тріщиностійкості.

На основі отриманих КІН розкриття тріщини визначається ефективний розмах КІН за формулою (характеристику закриття тріщини див. в розд.4):

. (1)

У третьому розділі досліджено вплив експлуатаційних факторів (коефіцієнта асиметрії, температури середовища) без та з урахуванням явища змикання-розмикання тріщини на закономірності її поширення в сталях D9H, Ст.30Л-1.

Випробування компактних зразків на нецентровий розтяг за частоти навантажування 15Гц, температур: 200С, -200С, -600С без урахування явища закриття тріщини проводили згідно існуючого методу визначення швидкості поширення втомної тріщини та характеристик тріщиностійкості (він описує вузький діапазон дії чинника - температури), а для його урахування застосовувався розроблений метод. Результати досліджень відображені у вигляді КДВР у номінальних і ефективних логарифмічних координатах.

З метою подальшої впевненості у користуванні розробленим методом експериментально перевірено його достовірність. Він перевірений шляхом зіставлення залежностей: швидкість поширення тріщини ефективний розмах КІН, що визначені при розміщенні голок датчика в канавках та при їх розміщенні в лунках. Результати досліджень наочно показують, що смуга розсіювання даних вказаної залежності запропонованого методу дещо вужча, а частота виконаних замірів залежностей в ній більша. Заміри залежностей велись практично за кожного виміру довжини тріщини.

Важливим результатом аналізу поширення тріщини (рис.5) є виявлений момент, згідно з яким її закриття, що присутнє в кожному циклі до рівня КІН розкриття тріщини, зникає при перевищенні величини (за рівності ефективного й номінального розмахів КІН) і не зявляється до зруйнування зразка. Характеристика отримала назву критичного ефективного розмаху КІН за верхньої межі росту втомної тріщини в присутності її закриття.

Результати дослідження впливу асиметрії циклу в межах 0,1 R 0,7…0,75 на закономірності поширення втомної тріщини в сталях Ст.30Л-1 і D9H за температури 200С. КДВР відображені в номінальних й логарифмічних координатах. За R = 0,7 для Ст.30Л-1 поріг тріщиностійкості дорівнює його ефективному значенню

.

Отримана рівність порогів свідчить про те, що явище змикання-розмикання тріщини зникає на порозі тріщиностійкості за величини . Характеристика отримала назву критичного ефективного порогового розмаху КІН за нижньої межі росту втомної тріщини в присутності закриття тріщини.

Для сталі D9H за асиметрії R = 0,65 пороговий розмах

дорівнює ефективному розмаху КІН

,

що визначений за асиметрій в межах 0,1 R 0,6, але не дорівнює своєму власному ефективному значенню

.

За асиметрії R = 0,75 нижня межа присутності закриття тріщини характеризується критичним ефективним порговим розмахом КІН

(тут R*, R, асиметрії циклу за відсутності та наявності закриття тріщини).

Таким чином, за різних асиметрій циклу закриття тріщини має місце в інтервалі від нижньої межі його присутності, що характеризується критичним ефективним пороговим розмахом КІН

(критичний ефективний пороговий розмах КІН може бути меншою нiж ефективний порiг трiщиностiйкостi), до верхньої межі його присутності, що характеризується критичним ефективним розмахом КІН.

Аналiз експериментальних даних вказує, що КДВР, які представлені в ефективних координатах, є iнварiантними у відношенні до величини асиметрії тільки в межах наявностi закриття трiщини. Границі iнварiантності ефективних КДВР описуються нерівністю

втомна тріщина поточне розкриття вістря

. (2)

За низьких температур (рис.8) явище змикання-розмикання тріщини також має місце в інтервалі від нижньої межі його присутності, що характеризується величиною

до верхньої межі його присутності, що характеризується значенням розмаху КІН

Для двох сталей (рис.8) при навантаженнях менше критичного ефективного інваріантного розмаху КІН

спостерігається інваріантність ефективних КДВР за додатніх асиметрій циклу (отриманих при кімнатній температурі) та низьких температурах. Характеристика втрати інваріантності КДВР

становить: для сталі D9H

за низької кліматичної температури -600С, а для Ст.30Л-1

за температури -200С. Для сталі Ст.30Л-1 за температури -600С при

ефективна КДВР розривається. Границі iнварiантності ефективних КДВР за різних додатніх асиметрій циклу та низьких температур описуються нерівністю

. (3)

Отримано для сталей D9H та Ст.30Л-1 залежність ефективного розмаху поточного розкриття тріщини від ефективного розмаху КІН.

Аналіз результатів дослідження та наочність рис.9 стверджує, що явище змикання-розмикання тріщини присутнє від критичного ефективного порогового розмаху розкриття тріщини , нижньої межі його присутності, до критичного ефективного розмаху розкриття тріщини , верхньої межі його присутності і описується критерієм присутності закриття тріщини

. (4)

У четвертому розділі на основі результатів експерименту показано, що достовірно описати кінетику росту втомної трішини можливо лише з допомогою ефективного розмаху КІН, а не з допомогою посередництва коефіцієнтів , та різних функціональних залежностей КІН розкриття тріщини від максимального КІН. Вирахувано з КІН розкриття тріщини частину, що нижче мінімального КІН за асиметрій R>0 рис.3, розтягуючої половини циклу, яка не впливає на поширення втомної тріщини. Отримана величина названа характеристикою закриття тріщини і визначається:

. (5)

Для досліджених сталей в залежності від величини асиметрій циклу та номінального розмаху КІН характеристика закриття тріщини спочатку зростає від порогового до максимального значення , а потім згасає до нуля за рівності КІН розкриття тріщини й мінімального, своєї верхньої межі, що характеризується .

Узагальнення вказаних залежностей для сталей: D9H та Ст.30Л-1 за асиметрій в межах 0,1 R 0,7…0,75, засвідчує, що описана зміна характеристики закриття тріщини характерна для кожної асиметрії циклу. Можна стверджувати, що інваріантність ефективних КДВР відносно R забезпечується проявом ефекту закриття тріщини в межах його наявності. Також можна бачити, що залежності узагальнюють вплив механізмів закриття тріщини на кінетку її росту. Аналіз вказаних залежностей показує, що явище закриття тріщини являє собою міру “запасу” циклічної тріщиностійкості матеріалу, котрий “вичерпується” асиметрією R в межах його наявності і дозволяє процесу руйнування протікати одинаково і незалежно від параметра R у цих межах.

Після характеристики за різних R проявляється ефект відсутності явища змикання-розмикання вістря тріщини. Потім наступає R*, за якої явище закриття тріщини відсутнє вже на порозі тріщиностійкості (нижньої межі при R* = 0,75). За R* характеристика закриття тріщини дорівнює нулю (на рис. 12 товста, масляна лінія), а за більших R* починається вплив асиметрії на закономірності поширення втомної тріщини. З ростом R характеристика закриття тріщини постійно зменшується знизу мінімальним КІН, а зверху максимальним КІН. На характеристику закриття тріщини діє “ефект пресу”, що створений асиметрією R і який в кінцевому результаті “вичерпує” її максимальним КІН за однієї R, мінімальним та максимальним КІН за її росту.

Наявність характеристики закриття тріщини в межах присутності закриття тріщини забезпечує інваріантність ефективних КДВР, що відображені в ефективних координатах, до асиметрії R. Її відсутність означає втрату інваріантності ефективних КДВР до асиметрії R.

Кількісне урахування зміни характеристики закриття вістря тріщини

за умови користування номінальними розмахами КІН (мінімальний КІН вилучається) в межах присутності закриття тріщини є причиною уявного впливу додатньої асиметрії R на пороги тріщиностійкості та кінетику її росту в цих межах, якщо КДВР відображені в номінальних координатах.

Виконано порівняльний аналіз залежностей



при температурах 200С, -600С для сталей: Ст.30Л-1 та D9H. Отримані залежності свідчать про згасання характеристики закриття тріщини до нуля за перетину залежностей між собою в точці, що характеризується і вказує на момент втрати інваріантності ефективних КДВР за різних R при 200С до низьких температур. Для Ст.30Л-1 вказані залежності за -600С спонтанно понизилась до нуля після точки перетину залежностей, що вже відповідає розриву ефективної КДВР. Це свідчить про те, що Ст.30Л-1 мало придатна для роботи при низькій кліматичний температурі -600С.

Другу дiлянку КДВР за рiзних асиметрій R та присутності явища закриття тріщини описано наступним рівнянням:

. (6)

Отримано залежнiсть ефективного вiд номінального розмахів КІН при рiзних асиметріях R за наявності закриття тріщини

. (7)

Закономірність поширення втомної тріщини в конструкційних матеріалах за реальних умов експлуатації описується експериментально обгрунтованим критерієм росту, межі. Експериментальне обгрунтування критерія поширення втомної тріщини.

дійсності якого визначаються критерієм присутності закриття її вістря:

. (8)

ВИСНОВКИ

На основі критичного аналізу методів оцінки швидкості росту втомноі тріщини і методик визначення зусилля, необхідного для розкриття її вістря, розроблено методологію вивчення закономірностей поширення втомної трiщини в металах на основі експериментально обгрунтованого критерія росту за параметром поточного розкриття її вістря. З використанням розробленої методології вперше виконані прямі виміри поточного розкриття вістря тріщини та достовірно описано кінетику її росту.

Запропоновано новi характеристики циклiчної трiщиностiйкостi матеріалу: критичний ефективний і критичні ефективні пороговий та інваріантний розмахи КІН, характеристику закриття вістря втомної тріщини, що дозволяють описати важливі ефекти при поширенні втомої тріщини. Виявлено, що при навантаженні менше критичного ефективного інваріантного розмаху КІН спостерігається інваріантність ефективних КДВР за додатніх асиметрій (при кімнатній температурі) та низьких температурах.

Експериментально обгрунтовані та емпірично описані критерієм присутності закриття тріщини межі впливу явища змикання-розмикання вістря втомної тріщини на закономірності її поширення.

Розроблено модель, що пояснює явище згасання характеристики закриття вістря втомної тріщини за різних додатніх асиметрій циклу. Характеристика закриття тріщини в залежності від розмаху КІН спочатку зростає від порогового до максимального значення, а потім згасає до нуля.

З допомогою залежностей характеристики закриття тріщини від розмаху КІН, а також критичного ефективного інваріантного розмаху КІН показано, що сталь Ст.30Л-1 мало придатна для роботи за низької кліматичної температури.

Емпірично описано швидкість росту втомної тріщини на другій ділянці КДВР за різних додатніх асиметрій циклу з урахуванням явища закриття тріщини. Встановлено звязок між ефективним та номінальним розмахами КІН за різних додатніх асиметрій циклу на другій ділянці КДВР.

Закономірність поширення втомної тріщини в металах за реальних умов експлуатації описується експериментально обгрунтованим критерієм росту, межі дійсності якого визначаються критерієм присутності закриття тріщини.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

А. с. 1670357 СССР МКИ5 G01 В 5/30. Способ измерения раскрытия трещины на образце / Ю.А. Кашталян, И.С. Пиняк. - Опубл. 15.08.91, Бюл. №30.

А. с. 1714427 СССР МКИ4 G01 N 3/32. Установка для определения характеристик трещиностойкости материалов / И.С. Пиняк, А.В. Наумов, В.М. Морозов. - Опубл. 23.02.92, Бюл. №7.

Критерий текущего значения раскрытия вершины трещины при определении характеристик циклической трещиностойкости / И.С. Пиняк // Тез. док. III Все-союз. симп. ”Механика разрушения. Трещиностойкость материалов и элемен-тов конструкций“, 1990г., Житомир. - Часть 1. - К:Изд-во ИПП АН УССР. - 1990. - С.103 - 104.

Модернизация машины УРС 20/6000 для проведения исследований цикличес-кой трещиностойкости / Ю.А. Кашталян, И.С. Пиняк // Тез. докл. Всесоюз. конф.”Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультра-звуковых частотах нагружения”. - К.:Изд-во ИПП АН УССР. - 1988. - С.82.

Определение характеристик трещиностойкости сталей средней прочности на различных типах образцов в широком диапазоне температур / Ю.А. Кашталян, Е.Н. Каспрук, В.М. Тороп, И.С. Пиняк // Тез. докл. II Всесоюз. симп. ”Механи-ка разрушения. Трещиностойкость материалов и элементов конструкций“, 1985г., Житомир. -Том 2. - К.:Изд-во ИПП АН УССР. - 1985. - С.23-24.

Оценка низкотемпературной циклической трещиностойкости сталей по кри-терию раскрытия трещины / А.Я. Красовский, И.С. Пиняк, В.М. Морозов // Тез. док. ІІІ Всесоюз. конф. “Прочность материалов и конструкций при низких тем-пературах”, 1991г., Винница. - К:Изд-во ИПП АН УССР. - 1991. - С.31 - 32.

Оценка трещиностойкости корпусных литых сталей при нормальных и низких климатических температурах / Ю.А. Кашталян, И.С. Пиняк, И. А. Маковецкая. // Тез. докл. Всесоюзн. конф. ”Прочность и надежность экскаваторов для открытых горных работ“, Красноярск, 1988. - С. 54.

Пиняк И.С. Влияние закрытия трещины на определяемые характеристики циклической трещиностойкости сталей // Там же. - 1998. - №2. - С.161-171.

Пиняк И.С. О достоверном уравнении второго участка кинетической диаграммы усталостного разрушения // Там же. - 1999. - №3. - С.83-87.

Пиняк И.С. Текущее значение раскрытия вершины трещины усталости как экспериментально обоснованный критерий её роста // Пробл. прочности. - 1998. - №1. - С.25-33.

Піняк І.С. Вплив явища закриття вістря втомної тріщини на асиметрію циклу навантаження та пороги тріщиностійкості // Теж там. - 2000. - №6. - С.106-114.

Піняк І.С. Рівняння другої ділянки кінетичної діаграми втомного руйнування за різних додатніх асиметрій циклу навантаження // Теж там. - 2000. - №2. - С.75-80.

Трещиностойкость литых корпусных сталей при статическом и циклическом нагружении в условиях низких климатических температур / Ю.А. Кашталян, И.С. Пиняк, В.М. Степков, Е.Н. Каспрук // Тез. док. III Всесоюз. симп. ”Меха-ника разрушения. Трещиностойкость материалов и элементов конструкций“, 1990г., Житомир. - Часть 2. - К:Изд-во ИПП АН УССР. - 1990 - С.43.

Трещиностойкость литых сталей используемых для несущих систем промтра-кторов при низких температутах / Ю.А. Кашталян, И.С. Пиняк // Тез. докл. Всесоюз. конф.”Механические свойства и разрушение сталей при низких тем-пературах“. - Ленинград:Изд-во Технол. ин-т. холод. пром-ти. - 1988. - С.43.

АНОТАЦІЯ

Піняк І.С. Розробка та експериментальне обгрунтування критерія поширення втомної тріщини за параметром поточного розкриття її вістря. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спеціальністю 01.02.04 - механiка деформівного твердого тiла. - Інститут проблем міцності НАН України, Київ, 2001.

У дисертації на основі критичного аналізу критеріїв, моделей, підходів, що формують розвиток механіки руйнування, та методик визначення зусилля, необхідного для розкриття вістря втомної тріщини, розвинуто методологію вивчення закономірностей поширення втомної трiщини в металах (підходу, методу та математичного апарату механіки руйнування). Розроблено оригінальний метод визначення зусилля і поточного розкриття вістря втомної тріщини, що дозволив вперше провести прямі виміри її поточного розкриття, без інтерполяції результатiв вимiру на вістря втомної тріщини. За результатами прямого виміру поточного розкриття вістря втомної тріщини в умовах різних додатніх асиметрій циклу навантажування та низьких температур достовірно описано кінетику росту втомної тріщини. Запропоновано новi характеристики циклiчної трiщиностiйкостi матеріалу: критичний ефективний і критичні ефективні пороговий та інваріантний розмахи КІН, характеристику закриття вістря втомної тріщини, що дозволяють описати важливі ефекти при поширенні втомої тріщини. Виявлено, що при навантаженні менше критичного ефективного інваріантного розмаху КІН спостерігається інваріантність ефективних КДВР за додатніх асиметрій (при кімнатній температурі) та низьких температурах. Експериментально обгрунтовані та емпірично описані критерієм присутності закриття тріщини межі впливу явища змикання-розмикання вістря втомної тріщини на закономірності її поширення. Виявлено, що характеристика закриття тріщини в залежності від розмаху КІН спочатку зростає від порогового до максимального значення, а потім згасає до нуля (її зміна забезпечує інваріантність ефективних КДВР за впливу різних чинників). Розроблено модель, що пояснює явище згасання характеристики закриття вістря втомної тріщини за різних додатніх асиметрій циклу. З допомогою залежностей характеристики закриття тріщини від розмаху КІН, а також критичного ефективного інваріантного розмаху КІН показано, що сталь Ст.30Л-1 мало придатна для роботи за низької кліматичної температури. Емпірично описано швидкість росту втомної тріщини на другій ділянці КДВР за різних додатніх асиметрій циклу з урахуванням явища закриття тріщини. Встановлено звязок між ефективним та номінальним розмахами КІН за різних додатніх асиметрій циклу на другій ділянці КДВР. Закономірність поширення втомної тріщини в металах за реальних умов експлуатації описується експериментально обгрунтованим критерієм росту, межі дійсності якого визначаються критерієм присутності закриття тріщини.

Ключові слова: трiщиностiйкість, критерій, модель, метод, поточне розкриття вістря тріщини, асиметрія, температура.

АННОТАЦИЯ

Пиняк И.С. Разработка и экспериментальное обоснование критерия роста усталостной трещины по параметру текущего раскрытия ее вершины. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 механика деформируемого твердого тела. Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, 2001.

В диссертации на основе критического анализа критериев, моделей, подходов, которые формируют развитие механики разрушения, и методик определения усилия, необходимого для раскрытия вершины усталостной трещины, развито методологию изучения закономерностей роста усталостной трещины в металлах (подхода, метода и математического аппарата механики разрушения). Разработано оригинальный метод определения усилия и текущего раскрытия вершины усталостной трещины, который позволил впервые провести прямые измерения ее текущего раскрытия, без интерполяции результатов измерения на вершину усталостной трещины. По результатам прямого измерения текущего раскрытия вершины усталостной трещины при разных положительных асимметриях цикла нагружения и низких температур достоверно описано кинетику роста усталостной трещины. Предложено новые характеристики циклической трещиностойкости материала: критический эффективный, критический эффективный пороговый и инвариантный размахи КИН, характеристику закрытия вершины усталостной трещины, которые позволяют описывать важные эффекты при росте усталостной трещины. Выявлено, что при нагружении меньше критического эффективного инвариантного размаха КИН наблюдается инвариантность эффективных КДУР при положительных асимметриях (комнатной температуре) и низких температурах. Экспериментально обосновано и эмпирически описано критерием присутствия закрытия трещины границы влияния явления закрытия вершины усталостной трещины на закономерности ее роста. Выявлено, что характеристика закрытия трещины в зависимости от размаха КИН сначала возрастает от порогового до максимального значения, а затем угасает до нуля (ее смена обеспечивает инвариантность эффективных КДУР при разных факторах). Разработано модель, которая объясняет явление угасания характеристики закрытия вершины усталостной трещины при разных положительных асимметриях цикла. При помощи зависимостей характеристики закрытия трещины от размаха КИН, а также критического эффективного инвариантного размаха КИН показано, что сталь Ст.30Л-1 мало пригодна для работы при низкой климатической температуре. Эмпирически описано скорость роста усталостной трещины на втором участке КДУР при разных положительных асимметриях цикла, учитывая явление закрытия трещины. Установлено связь между эффективным и номинальным размахами КИН при разных положительных асимметриях цикла на втором участке КДУР. Закономерность роста усталостной трещины в металлах в реальных условиях эксплуатации описывается экспериментально обоснованным критерием роста, границы действительности которого определяются критерием присутствия закрытия трещины.

Ключевые слова: трещиностойкость, критерий, модель, метод, текущее раскрытие вершины трещины, асимметрия, температура.

ANNOTATION

I.S. Pinyak. Development and experimental justification of fatigue crack propagation criterion based on the parameter of current crack tip opening displacement. - Manuscript.

Thesis for the degree of a candidate of technical sciences in speciality 01.02.04 - mechanics of deformed solids. - Institute for Problems of Strength of the National Ac. Sci. of Ukraine, Kyiv, 2001.

The thesis presents a procedure for studying regularities of fatigue crack propagation in metals (approach, method, and mathematical apparatus of fracture mechanics) based on critical analysis of the criteria, models, approaches affecting the advancement of fracture mechanics, and procedures for determining the load necessary for the fatigue crack tip opening displacement. A unique method for determining the load and current values of fatigue crack tip opening displacement was developed that was first to enable direct measuring the current values of opening displacement without the interpolation of the measurement results for the fatigue crack tip. From the results of direct measuring the fatigue crack tip opening displacement under conditions of positive load ratios, and low temperatures, fatigue crack growth kinetics was reliably described. New characteristics of cyclic crack-growth resistance of a material, namely, critical effective threshold and invariant ranges of the stress intensity factor (SIF), and a characteristic of fatigue crack closure, were proposed that allow description of important effects upon fatigue crack propagation. It was established that under loads below the critical effective invariant range of SIF an invariance of effective fatigue fracture kinetic diagrams (FFKD) is observed for positive load ratios (obtained at room temperatures) and at low temperatures. Limits of fatigue crack tip closure and opening displacement effects on the regularities of the crack propagation were experimentally justified and empirically described using the criterion of the presence of crack closure. It was established that the characteristic of crack closure first increases from threshold to maximum values depending on the range of SIF, and then decreases to zero (its changes allow invariance of the effective FFKDs influenced by various factors). A model was developed that explains the decrease in the characteristic of fatigue crack tip closure for various positive load ratios. Using the characteristic of crack closure vs range of SIF relations and the critical effective invariant range of SIF, an St.30L-1 steel was shown to be not suitable for the operation at low temperatures. Fatigue crack-growth rate in the second portion of the FFKD was empirically described for various positive load ratios with consideration for the effect of crack closure. A relation between effective and nominal ranges of SIFs was established for various positive load ratios in the second portion of FFKD. Regularities of fatigue crack propagation in metals under actual service conditions were described by the criterion of growth that was experimentally justified. Its validity limit is determined by the criterion for the presence of crack closure.

Keywords: crack-growth resistance, criterion, model, method, current crack tip opening displacement, load ratio, temperature.

Размещено на Allbest.ru