НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ

Піняк Іван Степанович

УДК 539.4:620.17:620.191

РОЗРОБКА ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ОБГРУНТУВАННЯ КРИТЕРІЯ ПОШИРЕННЯ ВТОМНОЇ ТРІЩИНИ ЗА ПАРАМЕТРОМ ПОТОЧНОГО РОЗКРИТТЯ ЇЇ ВІСТРЯ

01.02.04 – механiка деформівного твердого тiла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2001

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

Захист відбудеться “_29_” __листопада__ 2001 р. о __930__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .241.01, Інститут проблем міцності НАН України, 01014, м. Київ, вул. Тимірязєвська, 2

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

Автореферат розісланий “__29__” ___жовтня___ 2001 р.

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 (табл.), котрі засновані на реєстрації зміни податливості зразка з тріщиною. Вони беруть свої ви-токи з концепції Елбера (рис.1) 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.

Рис.1 Метод реєстрації зміни податливості

зразка з тріщиною

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 6 полягає в тому, що два його ножі замінено на пару щупів 5 спеціаль-ної конструкції (рис.2, подібно відомій конст-рукції). Кожен зі щупів має дві голки 4 спеці-альної конструкції. На одній з голок нанесено візирну мітку 4,а.

Рис.2 Схема конструкції датчика поточного

розкриття вістря тріщини.

Суть методу (рис.3,4) полягає в тому, що на бокових поверхнях компактного зразка 1 на нецентровий розтяг нарізають дві пари канавок 2 симетрично лінії передбачуваного росту втомної тріщини 3. Голки 4 щупів 5 датчика 6 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 7 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 8.

Рис.3 Спосіб визначення поточних значень зусилля

і розкриття вістря втомної тріщини

Довжину тріщини вимірюють з допомогою оптичного мікроскопа, типу МБС-9, що має можливість переміщуватися в горизонтальному напрямку вздовж лінії росту тріщини (на рис. 4 не показано). 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.

Рис.4 Схема установки для вимірювання поточних

значень зусилля і розкриття вістря тріщини.

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 4,а голки 4 (рис. 2), як це показано на рис. 4 (штрихпунктирна лінія).

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 (рис.5). 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 показані на рис.6,7. КДВР відображені в номінальних й логарифмічних координатах. За R = 0,7 для Ст.30Л-1 (рис.6) 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 (рис.7) 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 рис.7), до верхньої межі його присутності, що характеризується критичним ефективним розмахом КІН.

Аналiз експериментальних даних вказує, що КДВР (рис.6,7), які представлені в ефективних координатах, є iнварiантними у відношенні до величини асиметрії тільки в межах наявностi закриття трiщини. Границі iнварiантності ефективних КДВР описуються нерівністю

. (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 (рис.9) та Ст.30Л-1 залежність ефективного розмаху поточного розкриття тріщини (див. рис.3) від ефективного розмаху КІН.

Рис.9 Залежність між поточними значеннями ефективного розмаху розкриття

тріщини та ефективного розмаху КІН для сталі D9H при температурах 200С,

-600С; різних асиметріях циклу; частоті 15 Гц.

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 (визначеного при допомозі методу розд.2), 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)

Її залежність від номінального розмаху КІН для сталі Д9Н показана рис.10. Для досліджених сталей в залежності від величини асиметрій циклу та номінального розмаху КІН

Рис.10 Залежність характеристики закриття тріщини від номінального розмаху

КІН для сталі Д9Н за асиметрії R=0,1, температурі 200С, частоті 15 Гц.

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 (рис.11) 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 (рис.6-8) забезпечується проявом ефекту закриття тріщини в межах його

Рис.11 Залежність характеристики закриття тріщини від номінального розмаху КІН

для сталі Д9Н за асиметрій R=0,1;0,6;0,65,0,75, температурі 200С, частоті 15 Гц.

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.

Модель згасання закриття тріщини за різних додатніх R побудована на прикладі cталі D9H, що показана на рис.12. Після характеристики за різних R проявляється ефект відсутності явища змикання-розмикання вістря тріщини. Потім наступає R*, за якої явище

Рис.12 Модель згасання закриття тріщини за різних (а) та однієї (б)

додатніх асиметрій R на прикладі сталі Д9Н при температурі 200С,

різних номінальних розмахів КІН і зусиллях розкриття тріщини.

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, що наочно показано на рис.6-8.

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 (рис. 13) 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 (рис.8). Для Ст.30Л-1 вказані залежності за -600С спонтанно понизилась до нуля після точки перетину залежностей, що вже відповідає розриву ефективної КДВР (рис.8). Це свідчить про те, що Ст.30Л-1 мало придатна для роботи при низькій кліматичний температурі -600С.

Рис.13 Залежність характеристики закриття тріщини від номінального розмаху

КІН для сталі Ст.30Л-1 за температур 200С, -600С ; асиметрії R=0,1; частоті 15 Гц.

Другу дiлянку КДВР за рiзних асиметрій R (рис.6,14) та присутності явища закриття тріщини описано наступним рівнянням:

. (6)

Рис.14 Описання швидкості поширення втомної тріщини

на другій ділянці КДВР за олнієї асиметрії R.

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 (рис.15), межі Рис.15 Експериментальне обгрунтування

критерія поширення втомної тріщини.

дійсності якого визначаються критерієм присутності закриття її вістря:

. (8)

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

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.

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.

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