ВСТУП
Міністерство освіти і науки України
Тернопільський державний технічний університет
імені Івана Пулюя
федак
Сергій Ігнатович
УДК 539.4; 620.178.3
ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ АЛЮМІНІЄВОГО СПЛАВУ АМг6
В УМОВАХ ДИНАМІЧНОЇ ПОВЗУЧОСТІ
Спеціальність: 01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла
автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Тернопіль – 2003
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя
Науковий керівник - | доктор технічних наук, професор Ясній Петро Володимирович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, проректор з наукової роботи, м. Тернопіль.
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук Кучер Микола Кирилович, Інститут проблем міцності імені Г.С. Писаренка НАН України, провідний науковий співробітник відділу міцності матеріалів і елементів конструкцій при кріогенних температурах, м. Київ.
доктор фізико-математичних наук, доцент Кривень Василь Андрійович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, завідувач кафедри математичних методів в інженерії, м. Тернопіль.
Провідна установа - | Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН України, відділ структурної механіки руйнування і оптимізації властивостей матеріалів, м. Львів.
Захист відбудеться “ 18 ” грудня 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.01 в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.
Автореферат розісланий “ 14 ” листопада 2003 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фізико-математичних наук |
Шелестовський Б.Г.
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Експлуатація багатьох важливих елементів конструкцій відбувається за одночасної дії значних статичних навантажень та тривалих низькоамплітудних циклічних напружень. Аналіз літературних даних свідчить, що циклічне навантаження у поєднанні зі статичним може істотно впливати на тріщиностійкість конструкційних матеріалів.
Дослідженням напружено-деформівного стану в околі вершини тріщини та тріщиностійкості матеріалів займались такі вчені, як Гріфітс А.А., ОрованО.Е., Райс Дж., Ірвін Дж., Йофе А.Ф., Мусхелішвілі Н.І., Ілюшин А.А., Баренблат Г.І., Леонов М.Я., Панасюк В.В., Черепанов Г.П. та ін. Втомне руйнування матеріалів досліджувалось у працях Серенсена С.В., Лебедєва А.А., Писаренка Г.С., Трощенка В.Т., Покровського В.В., Яснія П.В. та ін.
Дослідженню пошкоджуваності матеріалів в умовах комбінованого (статичного і циклічного) навантажування при повзучості присвячені праці Работнова Ю.Н., Стрижала В.А., Бреславського Д.В., Морачковського О.К., Марголіна Б.З., Можаровського М.С., Антипова Є.А., Бобира М.І., Grover P., Lukas P., Kunz L., Sklenicka V., Piques R., Drubay B., Vasina R. та ін.
Методики прогнозування повзучості матеріалів під дією комбінованого навантажування запропоновані в працях Работнова Ю.Н., Бреславського Д.В., Марголіна Б.З. Проте залишається недостатньо дослідженим питання впливу параметрів циклічного навантаження на пошкоджуваність матеріалів в умовах динамічної повзучості.
Аналіз літературних джерел дає підстави твердити про недостатню дослідженість критеріїв зрушення тріщини в умовах динамічної повзучості. Лише окремі праці присвячені вивченню зрушення тріщини в умовах повзучості за постійного рівня навантажування (Камінський А.А.) та розробці критеріїв зрушення тріщини для випадку втоми з витримками при максимальному зусиллі (Granacher J., Klenk A., Tramer M., Shellenberg G., Mueller F., Ewald J.).
Зважаючи на це, актуальним залишається питання прогнозування критеріїв зрушення тріщини в умовах динамічної повзучості з урахуванням характеристик циклічної складової навантаження: амплітуди та максимального рівня навантаження.
Деяким конструкційним сплавам, зокрема алюмінієвому сплаву АМг6, властива стрибкоподібна деформація в умовах одновісного розтягу та повзучості. У літературі ці ефекти пояснюють теоріями деформаційного старіння матеріалу, деформаційного пробою та термоактиваційних процесів. Проте відсутні моделі, які дають можливість кількісного прогнозу стрибкоподібних приростів деформації.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, які cклали основу дисертації, отримані здобувачем як виконавцем теми Державного фонду фундаментальних досліджень України “Розробка методів прогнозування динамічної повзучості конструкційних матеріалів з урахуванням параметрів циклічного навантаження” (№ держреєстрації 0101U006795) та держбюджетної теми "Розробка методу підвищення несучої здатності елементів конструкцій шляхом попереднього комбінованого навантаження" (№ держреєстрації 0197U004547), яка виконувалась у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя згідно з тематичним планом НДР, затвердженим Міністерством освіти і науки України.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є прогнозування граничного стану тіл з тріщинами в умовах динамічної повзучості на основі деформаційного підходу.
Для досягнення вказаної мети у роботі вирішуються наступні задачі:
- дослідити умови зрушення тріщини і кінетику її росту в умовах динамічної повзучості;
- обґрунтувати критерій зрушення тріщини в умовах динамічної повзучості сплаву АМг6;
- розробити методики прогнозування в'язкого підростання тріщини в умовах динамічної повзучості;
- дослідити вплив циклічної складової навантаження на пошкоджуваність сплаву АМг6 в умовах динамічної повзучості;
- розробити методику прогнозування умов переходу до стрибкоподібної повзучості сплаву АМг6 в умовах м'якого типу навантажування.
Об'єкт дослідження – тріщиностійкість конструкційних матеріалів.
Предмет дослідження – тріщиностійкість алюмінієвого сплаву АМг6 в умовах динамічної повзучості.
Методи дослідження – теоретичні дослідження проводили з використанням методів механіки деформівного твердого тіла, зокрема теорії повзучості, а також положень лінійної і нелінійної механіки руйнування. Експериментальні дослідження деформаційних параметрів і перевірку теоретичних положень моделей повзучості проводили з використанням методу тензометрії, а також відомих методик визначення характеристик механічних властивостей, силових, енергетичних і деформаційних параметрів. Це дозволило, разом із використанням сучасного експериментального обладнання, забезпечити необхідну точність і достовірність результатів експериментів.
Наукова новизна одержаних результатів:
-виявлено основні закономірності впливу динамічної повзучості на критичне розкриття вершини тріщини та кількість циклів до в'язкого підростання тріщини в умовах комбінованого навантажування;
-запропоновано методику прогнозування деформації динамічної повзучості, яка враховує додаткову пошкоджуваність матеріалу, спричинену низькоамплітудною циклічною складовою навантажування;
-запропоновано методику прогнозування в'язкого підростання тріщини в умовах динамічної повзучості, основану на досяганні розкриттям вершини тріщини граничного рівня;
-запропоновано методики прогнозування стрибкоподібних приростів деформації під час розтягу і повзучості сплаву АМг6, які ґрунтуються на взаємозв'язку величини миттєвих приростів деформації та динамічної гістограми розтріскування дисперсних включень.
Практичне значення одержаних результатів.
Запропоновані методики прогнозування в’язкого підростання тріщини в умовах динамічної повзучості сплаву АМг6 можуть бути використані для розрахунку утримувальної здатності і довговічності елементів конструкцій в умовах комбінованого навантажування.
Отримані закономірності кінетики розкриття вершини тріщини та її в'язкого підростання в умовах комбінованого навантажування можуть бути використані для оптимізації режимів попереднього одноразового перевантаження з метою підвищення утримувальної здатності і довговічності елементів конструкцій з тріщинами.
Результати дисертаційної роботи в частині методики прогнозування впливу параметрів комбінованого навантажування на тріщиностійкість в умовах динамічної повзучості використовуються лабораторією випробувань на міцність АНТК ім. О.К. Антонова при оцінці довговічності елементів конструкцій (Акт впровадження АНТК № 1 / 325 від 11.07.2003 року).
Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить:
-аналіз отриманих результатів із впливу додаткового циклічного навантажування на діаграми деформування сплаву АМг6 [1];
-розробка методики розрахунку деформації динамічної повзучості та розрахунок згідно з запропонованою методикою [2];
-аналіз впливу параметрів циклічного навантажування на мікромеханізми руйнування алюмінієвого сплаву АМг6 в умовах динамічної повзучості [3];
-розробка програмного забезпечення [4], [9];
-розробка методик прогнозування кінетики розкриття вершини тріщини в умовах динамічної повзучості [5], [10];
-дослідження впливу циклічної складової на мікроструктуру сплаву АМг6 в умовах динамічної повзучості [6];
-розробка моделі прогнозування деформації динамічної повзучості з урахуванням пошкоджуваності матеріалу, розробка програмного забезпечення для апробації моделі [7];
-розробка моделі прогнозування стрибкоподібної деформації сплаву АМг6 на основі аналізу розтріскування дисперсних включень [13].
Постановку задач, аналіз та трактування результатів, формулювання наукових висновків та рекомендацій проведено спільно з науковим керівником.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на V та VII науково-технічних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (Тернопіль, 2001, 2003), Другій міжнародній конференції "Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій" (Львів, 1999), Міжнародному симпозіумі "Механіка руйнування матеріалів та конструкцій" (Бялосток, Польща, 2001), V Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2001). У повному обсязі робота заслуховувалась на наукових семінарах у Фізико-механічному інституті імені Г.В. Карпенка НАН України (Львів, 2003) та Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя (Тернопіль, 2003).
Публікації. Результати дисертації опубліковані у 13 друкованих працях, з них 8 - у фахових наукових виданнях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 131 сторінку, в т. ч. 56 рисунків, 12 таблиць та список літератури із 146 найменувань.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначена мета роботи та основні напрямки її досягнення, показані наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Наведено відомості про публікації та апробацію роботи.
У першому розділі розглянуто сучасний стан досліджень критеріїв зрушення тріщини та кінетики її поширення в умовах повзучості та динамічної повзучості, а також методики прогнозування тріщиностійкості матеріалів за сумісної дії статичного і циклічного навантаження. Проаналізовано відомі теоретичні та експериментальні дослідження впливу статичного та циклічного навантаження на пошкоджуваність конструкційних матеріалів.
Аналіз наукових праць вказує, що вплив сумісного статичного та циклічного навантаження на тріщиностійкість матеріалів досліджено недостатньо. Майже відсутні дослідження впливу сумісного квазістатичного і низькоамплітудного циклічного навантаження на напружено-деформівний та граничний стан тіл з тріщинами. Відомі методики, розроблені для прогнозування підростання тріщини за постійного рівня навантажень або для випадку втоми з витримками при максимальному рівні навантажування, не можуть бути використані для опису підростання тріщини в умовах динамічної повзучості.
Недостатньо вивченим є питання пошкоджуваності матеріалу за сумісної дії статичного та циклічного навантаження. Моделі опису процесів динамічної повзучості, засновані на кінетичній теорії, використовують пошкоджуваність як формальний параметр і не дають уявлення про фізичний зміст процесу та механізми зародження і росту пор на границях і в тілі зерен.
Недостатньо досліджений взаємозв’язок розподілу дисперсних включень та стрибкоподібної (переривчастої) деформації сплаву АМг6 в умовах м’якого типу навантажування. Відомі наукові праці, присвячені переривчастій текучості сплавів, стосуються переважно кріогенних температур.
На основі проведеного аналізу сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи.
У другому розділі наведено методики експериментальних досліджень, характеристики обладнання, методи аналізу мікроструктурних параметрів матеріалу. На основі мікроструктурних досліджень виявлено вплив циклічної складової на пошкоджуваність матеріалу. Запропоновано модель прогнозування деформації динамічної повзучості, яка враховує пошкоджуваність матеріалу.
Механічні випробування виконано на сервогідравлічній випробувальній машині СТМ-100 виробництва АНТК імені О.К. Антонова (м. Київ). У випадку динамічної повзучості на статичне навантаження додатково накладали циклічне синусоїдальне навантаження з амплітудою напруження =25 МПа і частотою =25 Гц. Дослідження виконувалось при 293 К. Для виявлення впливу циклічної складової на пошкоджуваність сплаву АМг6 досліджували мікроструктуру матеріалу на металографічному мікроскопі МИМ-10 при 100- та 400-кратному збільшенні.
В умовах динамічної повзучості порівняно із повзучістю виявлено збільшення кількості пор та зменшення розмірів зерен в сплаві АМг6. Також виявлено, що циклічна складова спричинює зміни у механізмах пошкоджуваності матеріалу – сприяє знеміцненню границь зерен та появі пор на потрійних стиках зерен.
На основі досліджень мікроструктури сплаву АМг6 запропоновано методику розрахунку деформації динамічної повзучості з урахуванням відносної площі пор поперечного перерізу.
Для аналізу напружено-деформованого стану в матеріалі на ділянці зміцнення та початку ділянки усталеної повзучості використовується залежність деформації повзучості від часу та концепція істинних напружень у вигляді:
, | (1)
, | (2)
де рс - деформація повзучості; br - напруження в брутто-січенні зразка; S- відносна площа пор, - напруження в матеріалі з урахуванням площі пор; В, k, z- сталі матеріалу.
Відносна площа пор при зміні деформації повзучості від початкового рівня р0 до поточного р розраховується за формулою:
, | (3)
,
,
де S1 - площа пор, які утворились в матеріалі до р0 і продовжують рости зі збільшенням деформації повзучості р; S2 - площа пор, які утворились упродовж повзучості від р0 до р; RП - радіус пори; N0 – кількість пор у матеріалі за деформації повзучості р0; R1 - середнє значення радіуса пор, що утворились в матеріалі на етапі квазістатичного розтягу до p0; - коефіцієнт зародження пор; R0- початковий радіус пори.
Для опису росту ізольованої пори в умовах пластичного деформування використане рівняння Райса-Трейсі в наступному вигляді:
, | (4)
де mr- гідростатична компонента тензора напружень; - інтенсивність приростів пластичної деформації; - приріст радіуса пори.
Для опису процесу зародження пор використовували залежність між пластичною деформацією та пороутворенням. Кількість пор на одиницю площі NП, що утворилися за повзучості, визначали згідно з формулою:
, | (5)
де pl - пластична деформація; pl0 - пластична деформація, що відповідає початку зародження пор; N0- початкова кількість пор.
Для розрахунку деформації повзучості згідно з методикою, коефіцієнт зародження пор в рівнянні (3) приймається 0-const.
Для опису процесу динамічної повзучості матеріалу запропоновано враховувати зміну кількості пор матеріалу наступним чином:
, | (6)
де - стала матеріалу; d0 – початковий розмір зерна в поперечному перерізі; dm- розмір зерна в поперечному перерізі внаслідок дії циклічної складової.
У третьому розділі наведено результати дослідження впливу циклічної складової на старт тріщини в умовах деформування розтягом. Запропоновано методики прогнозування в’язкого підростання тріщини в умовах динамічної повзучості.
Досліджено силові (коефіцієнт інтенсивності напружень - КІН), деформаційні (розкриття вершини тріщини) та енергетичні (J – інтеграл) критерії руйнування сплаву АМг6 при квазістатичному (відповідно Кс, с, Jс) та комбінованому розтязі (відповідно Ксf, сf, Jсf) із сталою швидкістю навантажування (рис.1).
Виявлено, що найменший розкид значень при оцінці в'язкого підростання тріщини спостерігається при використанні деформаційного критерію – розкриття вершини тріщини.
Встановлено, що циклічна складова зменшує критичне розкриття вершини тріщини в умовах комбінованого розтягу cf і динамічної повзучості * порівняно із квазістатичним розтягом і повзучістю c.
Кінетичну діаграму розкриття вершини тріщини в умовах динамічної повзучості можна охарактеризувати чотирма ділянками:
І - попередній квазістатичний розтяг до заданого рівня КІН Кm;
ІІ - приріст розкриття в умовах динамічної повзучості за характеристик навантажування K та асиметрії циклу R;
ІІІ - в'язке підростання тріщини при t=t*;
ІV - ріст втомної тріщини (рис.2).
В умовах повзучості за постійного рівня навантаження (рис.2.а) ріст тріщини не спостерігався.
Ділянка розтягу до заданого рівня КІН Кm задовільно описується відомим рівнянням Леонова - Панасюка:
, (7)
де Кm – коефіцієнт інтенсивності напружень, до якого навантажували зразок до ініціювання динамічної повзучості; kТ – стала матеріалу, Е – модуль пружності, Т – межа текучості матеріалу.
Приріст розкриття вершини тріщини в умовах динамічної повзучості д може бути описаний на основі відомого ЕМР методу (Bensussan P. та ін.), який базується на припущенні, що деформацію повзучості матеріалу у вершині тріщини можна змоделювати процесом повзучості гладкого зразка довжиною Lref в умовах повзучості за рівня максимальних напружень ref. Для визначення ref використано рівняння Hutchinson-Rice-Rosengren для розрахунку напружень в околі вершини тріщини:
, (8)
де Кmax – максимальний КІН; 0,2- умовна межа текучості; rс– відстань до вершини тріщини; I- безрозмірна функція від показника деформаційного зміцнення; - коефіцієнт деформаційного зміцнення; - нормована функція від кута .
Відстань від вершини тріщини rc, на якій нормальні напруження, перпендикулярні до площини тріщини, рівні ref, визначали з умови ідентичності граничного стану гладкого зразка та зразка з тріщиною. А саме: вважали, що при підростанні тріщини (значення КІН рівне Кс) напруження в умовному гладкому зразку ref відповідає границі міцності матеріалу в. Довжину Lref умовного гладкого зразка приймали пропорційною ширині залишкової незруйнованої частини зразка з тріщиною:
, (9)
де - сталий коефіцієнт; b - ширина зразка; l – довжина тріщини.
При моделюванні виходили з того, що приріст деформації умовного гладкого зразка буде рівний приросту розкриття у вершині тріщини в умовах повзучості.
На основі рівнянь (1), (2) часову зміну приросту розкриття д(Kmax) у вершині тріщини до моменту в'язкого підростання можна представити у наступному вигляді:
. (10)
Виявлено залежність граничного приросту розкриття вершини тріщини в умовах динамічної повзучості д*(Kmax)=*-р від максимального рівня навантажування Kmax (рис. 3). За постійного розмаху КІН пропонується степенева залежність д*(Kmax) від Kmax:
, (11)
де Сд, nд –сталі, залежні від .
Умовою в'язкого підростання тріщини є досягнення розкриттям вершини тріщини граничного значення *(Кmax).
З урахуванням (7) та (11) граничне розкриття вершини тріщини можна представити у наступному вигляді:
. (12)
На основі формул (10) та (11) час t*(Kmax) до зрушення тріщини в умовах динамічної повзучості:
. (13)
Згідно із залежністю (13) прогнозується час до в'язкого підростання тріщини в умовах динамічної повзучості сплаву амг6 (рис.4).
Досліджено вплив розмаху КІН на кількість циклів N* та розкриття вершини тріщини * до в’язкого підростання. Виявлено, що збільшення розмаху КІН зменшує кількість циклів N* до в’язкого підростання та критичне розкриття вершини тріщини * (рис.5).
Після в'язкого підростання для опису швидкості росту втомної тріщини від використовується формула Періса:
, (14)
де СV, nV – сталі швидкості росту втомної тріщини, визначені при асиметрії циклу R=0,9.
Для виявлення фізичних передумов початку підростання тріщини в умовах динамічної повзучості проаналізовано граничний рівень пошкоджуваності S* умовного гладкого зразка, яким моделюється приріст розкриття у вершині тріщини, від напруження ref (рис.6). Попередні дослідження мікроструктури сплаву АМг6 вказують на збільшення густини дислокацій у матеріалі після випробувань на динамічну повзучість. Отриманий результат свідчить, що за вищого рівня напружень умовного зразка при руйнуванні збільшується гранична відстань між порами. Згідно з проведеним дослідженням запропоновано використовувати критерій старту тріщини - граничну пошкоджуваність матеріалу в умовах динамічної повзучості S* на відстані від вершини тріщини rc, на якій діють нормальні напруження ref:
. (15)
У відповідності з (15) в’язкий старт тріщини за умов динамічної повзучості відбудеться, коли пошкоджуваність S в матеріалі на відстані rс перед вершиною тріщини в напрямку її просування досягне свого критичного значення S*.
У четвертому розділі запропоновано методику розрахунку стрибкоподібних приростів деформації сплаву АМг6 в умовах одновісного розтягу, повзучості та динамічної повзучості залежно від кількості розтрісканих включень.
Особливістю діаграми деформування сплаву АМг6 в умовах м’якого типу навантажування є чергування ділянок знеміцнення та зміцнення після досягання ст - напруження початку стрибкоподібного деформування. Ділянки зміцнення характеризуються лінійним приростом деформації за зміни напруження та модулем пропорційності Е. Ділянки знеміцнення характеризуються миттєвими приростами деформації (і) за досягання відповідних напружень р(і) (рис.7).
На основі металографічних і електронно - мікроскопічних досліджень проведено підрахунок кількості масивних включень і дисперсоїдів у поперечному перерізі (таб.1). Сплав АМг6 на мікрорівні можна розглядати як композитний матеріал з в’язкою основою та крихкими включеннями.
Для опису розмірів включень використовується безрозмірний параметр – коефіцієнт форми :
, (16)
де lв – довжина включення.
Побудовано гістограму кількості дисперсоїдів n(i) у залежності від їх розміру і у первісному стані (рис. 8). На основі 12-ти випробувань, проведених при однакових умовах швидкості навантажування , запропонована лінійна залежність між величиною миттєвих приростів деформації (і) та відповідним напруженням розтягу р(і) (рис. 9).
Згідно із запропонованою розрахунковою моделлю вважаємо, що отримані напруження стрибкоподібного приросту деформації за м'якого типу навантажування дорівнюють напруженням розтріскування дисперсоїдів відповідного класу.
На основі гістограми первісного стану (рис. 8) сформовано динамічну діаграму коефіцієнтів форми дисперсоїдів і їх фрагментів при розтязі сплаву АМг6 в залежності від напруження руйнування включень відповідного розміру (рис.10) і проведено порівняльну оцінку розтрісканих дисперсоїдів сплаву АМг6 при напруженнях в (рис.11).
Для одновісного розтягу (рис.7) розрахунок повної деформації залежно від прикладеного напруження (ст) здійснюється згідно з формулою:
,
, і=0...NCT, |
(17)
де; C, D, H, nе – сталі матеріалу; NCT – кількість стрибкоподібних приростів деформації, які відбулися до напруження : .
Вважаємо, що стрибкоподібна повзучість відбувається за тим самим механізмом, що і стрибки при одновісному розтязі, а саме: миттєвий приріст деформації повзучості зумовлений руйнуванням дисперсоїдів найбільшого розміру (рис. 7). Відповідно до моделі стрибкоподібний приріст деформації повзучості відбудеться за умови, коли накопичена деформація повзучості pст буде рівна різниці деформації одновісного розтягу (р(і)) до руйнування дисперсоїдів найбільшого незруйнованого розміру і та деформації (c) попереднього розтягу до ініціації повзучості за напруження c:
pст=(р(і))-(c). (18)
У випадку динамічної повзучості враховується клас дисперсоїдів, які руйнуються за першого циклу навантажування.
Приріст деформації повзучості р розраховується згідно з припущенням про ідентичність процесів стрибкоподібної деформації за одновісного розтягу та стрибкоподібної деформації повзучості :
. (19)
Висновки
У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється у розробці методик прогнозування граничного стану тіл з тріщинами в умовах динамічної повзучості на основі деформаційного підходу.
1. Вперше з використанням енергетичних, силових та деформаційних підходів досліджено вплив параметрів навантажування на зрушення тріщини в умовах динамічної повзучості.
2. Виявлено, що накладання циклічної складової навантаження зменшує критичне розкриття вершини тріщини при розтязі та повзучості. Величина критичного розкриття вершини тріщини в умовах динамічної повзучості обернено пропорційна кількості циклів до в’язкого підростання тріщини. Подальше просування тріщини відбувається за втомним механізмом і може бути описане кінетичною діаграмою втомного руйнування.
3. Виявлено вплив циклічної складової навантаження на кінетику пошкоджуваності матеріалу в умовах динамічної повзучості. Встановлено, що циклічна складова збільшує рівень пошкоджуваності (відносну площу пор). Запропоновано методику прогнозування кінетики деформації динамічної повзучості, яка ґрунтується на теорії зміцнення з урахуванням пошкоджуваності матеріалу (відносної площі пор).
4. Запропоновано методику оцінки критичного розкриття вершини тріщини в умовах динамічної повзучості, яка базується на аналізі напружено –деформованого стану у вершині тріщини та урахуванні пошкоджуваності матеріалу.
5. Проаналізовано граничний стан матеріалу у вершині тріщини в умовах динамічної повзучості. Виявлено, що критична пошкоджуваність матеріалу (відносна площа пор) для сталої амплітуди напружень зменшується із збільшенням максимального напруження циклу.
6. Запропоновано методику розрахунку стрибкоподібної деформації в умовах розтягу та повзучості (динамічної повзучості) сплаву АМг6, яка ґрунтується на аналізі розподілу кількості та розміру дисперсних включень первісного матеріалу і досяганні критичного напруження руйнування включень. Методика дозволяє прогнозувати величину стрибка та накопичену деформацію, що передує стрибкоподібній деформації повзучості (динамічної повзучості).
список опублікованих праць за темою дисертації
1. Ясній П.В., Галущак М.П., Федак С.І., Королюк Р.І. Взаємозв'язок між діаграмами розтягування і динамічною повзучістю сплаву АМг6 // Вісник Тернопільського державного технічного університету. -1999. –Т.4, №4. -С.23-28. 2. Ясній П.В., Галущак М.П., Федак С.І., Подкользін В.Ю. Циклічна повзучість сплаву АМг6 // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2000. - №1. -С. 43-46.
3. Ясній П.В., Галущак М.П., Федак С.І. Мікромеханізми руйнування сплаву АМг6 в умовах повзучості і короткотермінового розтягу // Вісник Тернопільського державного технічного університету. -2000. –Т.5, №1. –С.6-11.
4. Ясній П.В., Галущак М.П., Федак С.І. Вплив амплітуди циклічного навантажування на динамічну повзучість алюмінієвого сплаву // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій. – Том 1. -Львів: Каменяр, 1999. -С.268-272.
5. Ясній П.В., Галущак М.П., Федак С.І. Оцінка розкриття тріщини у сплаві АМг6 в умовах динамічної повзучості // Машинознавство. - 2001. -№6. -С.10-12.
6. Ясній П.В., Галущак М.П., Стоянова О.М., Федак С.І. Мікроструктурні особливості деформування сплаву АМг6 при повзучості та розтягу // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2001. - №5. -С. 64-68.
7. Ясній П.В, Галущак М.П., Федак С.І. Моделювання процесу пошкоджуваності матеріалу при повзучості з накладанням додаткової високочастотної циклічної складової // Проблеми міцності. - 2003. - №1. -С. 48-54.
8. Федак С. Стрибкоподібна деформація сплаву АМг6 при повзучості // Вісник Тернопільського державного технічного університету. -2003. –Т.8, №2. -С.16-23.
9. Yasniy P., Halushchak M., Fedak S. Modeling of material damage process under tensile streess with stable loading rate and application of the additional high-frequency cyclic component // Zeszyty naukowe politechniki Bialostockiej. -Biaіostok, 2001. - P. 477-481.
10. Ясній П.В., Галущак М.П., Федак С.І. Оцінка розкриття тріщини у сплаві АМг6 в умовах динамічної повзучості // Тези доповідей 5-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. -Львів. - 2001. - С. 46.
11. Федак С.І. Моделювання короткотермінової повзучості алюмінієвого сплаву // П’ята науково-технічна конференція ТДТУ (24-26 квітня 2001 року) “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні”. –Тернопіль. -2001. - С. 106.
12. C. Федак Методика дослідження розкриття і старту тріщини в умовах динамічної повзучості // Сьома науково-технічна конференція ТДТУ (22-24 квітня 2003 року). –Тернопіль. -2003. - С. 119.
13. С. Федак, М. Галущак Стрибкоподібна деформація сплаву АМг6 в умовах динамічної повзучості // Сьома науково-технічна конференція ТДТУ (22-24 квітня 2003 року). –Тернопіль. -2003. - С. 120.
анотації
Федак С.І. Тріщиностійкість алюмінієвого сплаву АМг6 в умовах динамічної повзучості. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла. - Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, м. Тернопіль, 2003.
Дисертація присвячена виявленню закономірностей впливу параметрів динамічної повзучості на тріщиностійкість алюмінієвого сплаву АМг6. Вперше виявлено основні закономірності тріщиностійкості сплаву АМг6 в умовах динамічної повзучості. Виявлено, що накладання циклічної складової зменшує критичний параметр розкриття вершини тріщини в умовах одновісного розтягу та динамічної повзучості. Запропоновано модель в'язкого підростання тріщини в умовах динамічної повзучості. Встановлено, що старт тріщини в сплаві АМг6 відбувається за в'язким механізмом, подальше просування тріщини відбувається за втомним механізмом. Удосконалено методику прогнозування розкриття вершини тріщини в умовах динамічної повзучості, яка базується на моделюванні розкриття тріщини в умовах повзучості деформацією повзучості гладкого зразка з урахуванням пошкоджуваності матеріалу. Виявлено вплив циклічної складової навантаження на пошкоджуваність матеріалу в умовах динамічної повзучості. Запропоновано методику прогнозування деформації матеріалу в умовах динамічної повзучості на основі теорії зміцнення з урахуванням пошкоджуваності. Запропоновано модель зв'язку стрибкоподібної деформації розтягу сплаву АМг6 з розподілом дисперсних включень первісного матеріалу. Запропоновано деформаційний критерій стрибкоподібної повзучості, заснований на ідентичності фізичних процесів стрибкоподібного приросту деформації за квазістатичного розтягу та повзучості.
Ключові слова: алюмінієвий сплав, тріщиностійкість, динамічна повзучість, тріщина, пошкоджуваність, розкриття вершини тріщини, стрибкоподібна деформація.
Федак С.И. Трещиностойкость алюминиевого сплава АМг6 в условиях динамической ползучести. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, г. Тернополь, 2003.
Диссертация посвящена установлению закономерностей влияния параметров динамической ползучести на трещиностойкость алюминиевого сплава АМг6.
Впервые установлены основные закономерности трещиностойкости сплава АМг6 в условиях динамической ползучести. Установлено, что циклическая составляющая уменьшает критический деформационный параметр раскрытия вершины трещины в условиях одноосного растяжения и динамической ползучести. Старт трещины в сплаве АМг6 происходит вязко, последующие продвижение - за усталостным механизмом. Предложена модель вязкого старта трещины в условиях динамической ползучести. Усовершенствована методика прогнозирования раскрытия вершины трещины в условиях динамической ползучести, которая основывается на моделировании раскрытия трещины в условиях ползучести деформацией ползучести гладкого образца с учетом поврежденности материала.
Установлено влияние циклической составляющей нагрузки на поврежденность материала в условиях динамической ползучести. Предложена методика прогнозирования деформации материала в условиях динамической ползучести, основанная на теории упрочнения с учетом поврежденности.
Предложена модель связи скачкообразной деформации растяжения сплава Амг6 с распределением дисперсных включений материала. Предложен деформационный критерий скачкообразной ползучести, основанный на идентичности физических процессов скачкообразной деформации при одноосном растяжении и ползучести.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, трещиностойкость, динамическая ползучесть, трещина, поврежденность, раскрытие вершины трещины, скачкообразная деформация.
Fedak S.I. Threshold fatigue and threshold of Al-6%Mg alloy. – Manuscript.
The thesis submitted for the Scientific Degree of Candidate of Sciences (Engineering) in specialty 01.02.04 “Fracture Mechanics”. – Ternopil Ivan Pul’uj State Technical University, Ternopil, 2003.
The thesis deals with studying of the peculiarities of cyclic loading parameters influence on Al-6%Mg alloy threshold, as well as with developing of short-term dynamic creep prediction methods.
For the first time there were found the main regularities of Al-6%Mg alloy threshold at dynamic creep. Critical parameters of crack opening in their dependence on static and combined loading during strain at constant speed were estimated. It was stated that the lowest value spreading was observed when deformation criterion of creep opening was used. It was discovered that cyclic component decreases critical crack tip opening
The model of elastic creep growth at dynamic creep was worked out; either the dependency of critical crack tip opening incrimination at creep-fatigue on maximum loading level was analyzed. In the thesis it has been stated that when maximum loading level in cycle at constant amplitude is increased, the critical crack tip opening incrimination reduces.
The specimen surface fractures creep tests were studied. It was found that crack start in Al-6%Mg alloy occurs by tough mode and further crack progression – by fatigue mode.
The methods of crack tip opening estimation at creep-fatigue based on modeling of crack opening at creep by smooth specimen creep, when material damage is taken into account were improved. The Hutchinson-Rice-Rosengren equation used for stress analysis near crack tip and the principle of identity of smooth and cracked specimens’ critical condition were used to find the reference specimen stress.
The critical level of reference smooth specimen that is used for crack tip opening incrementation modeling, has been analyzed. It was stated that when stress level of the reference specimen was higher, the critical space between voids at damage increased. In the material during the fracture the crisp component function increases owing to antecedent grain boundary hardening which occurs as a result of creep-fatigue.
The influence of cyclic loading component on fracture of the material at creep-fatigue was found. Material microstructure studying after experiments at corresponding creep-fatigue loading parameters showed the grain size reducing depending on cycle stress ratio. Cyclic component causes the changes in the material fracture mechanism i.e. grain boundary unhardening and accordingly the appearance of voids on triple joint.
The methods of material deformation prediction at creep-fatigue based on the theory of hardening when fracture is taken into account was worked out. On the R-area of the description linear change of maximum grain size as a result of cycle ratio at constant cycle amplitude was used.
Using electron microscope the microstructure of Al-6%Mg alloy was investigated. This study showed that Al-6%Mg alloy could be viewed as a composite material with tough basis and crisp inclusions. The model of relation of unstable deformation of Al-6%Mg alloy and dispersed inclusions distribution in primary material was proposed.
The unstable deformation criterion based on identity of physical processes at unstable incrementation during creep and strain was proposed. Due to this criterion unstable creep goes on by the same mechanism as instability at uniaxial tension, i.e. the instant deformation growth is caused by fracture of the biggest dispersoids. In case of creep-fatigue the class of dispersoids fractured at cyclic component initiation was taken into account.
Key words: aluminum alloy, threshold, creep-fatigue, crack, damage, crack tip opening, threshold criteria, unstable deformation.
