Міністерство освіти і науки України

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

ГАЛУЩАК

Михайло Петрович

УДК 620.178.3

ПРОГНОЗУВАННЯ ДИНАМІЧНОЇ ПОВЗУЧОСТІ АЛЮМІНІЄВОГО СПЛАВУ

Спеціальність: 01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль - 2000

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, професор НИКИФОРЧИН Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділом корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів, м. Львів

-доктор технічних наук, професор CТЕПАНЕНКО Валерій Олександрович, Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри лазерної технології, конструювання машин і матеріалознавства, м. Київ

Провідна установа - | Інститут проблем міцності НАН України, відділ міцності матеріалів та елементів конструкцій при кріогенних температурах, м. Київ

Захист відбудеться “ 05 ” жовтня 2000 р. о 13 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 “ 01 ” вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фізико-математичних наук |

Шелестовський Б.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В процесі експлуатації найбільш відповідальні високонавантажені елементи конструкцій поряд із довготривалими статичними можуть піддаватись дії низькоамплітудних циклічних напружень (турбіни, трубопроводи, посудини високого тиску, мостові конструкції, авіатехніка). Вказаний чинник істотно впливає на довготривалу міцність матеріалів. Аналіз літературних даних свідчить, що циклічне навантаження може інтенсифікувати, сповільнювати або не впливати на повзучість металів і сплавів.

Дослідженню впливу комбінованого (статичного і циклічного) навантажування на повзучість матеріалів присвячені праці Ю.Н. Работнова, Д.В. Бреславського, А.А. Камінського, О.К. Морачковського, В.А. Стрижало, P. Grover, P. Lukas, L. Kunz, V. Sklenicka, R. Piques, B. Drubay, R.Vasina та ін.

Запропоновані методики прогнозування повзучості матеріалів під дією комбінованого навантажування, які за певних обмежень описують ці процеси, зокрема у роботах Ю.Н. Работнова та Д.В. Бреславського.

Проте залишається недостатньо дослідженим питання впливу параметрів циклічного навантаження на повзучість матеріалів. Основні праці відносяться до випадків, коли амплітуда напружень циклічного навантаження співрозмірна з порогом текучості. Як правило, розглядаються конструкції, що тривалий час працюють за умов високих температур. Майже відсутні роботи, в яких досліджується сумісна дія комбінованого навантаження на напружено-деформований стан тіл з тріщинами, зокрема на розкриття вершини тріщини при відсутності її підростання.

У зв'язку з цим актуальним залишається прогнозування низькотемпературної короткотривалої повзучості матеріалів з врахуванням характеристик циклічної складової навантаження: частоти, амплітуди та максимального рівня напружень циклу, особливо за наявності тріщин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, які cклали основу дисертації, отримані здобувачем як виконавцем держбюджетної теми "Розробка методу підвищення несучої здатності елементів конструкцій шляхом попереднього комбінованого навантаження" (№ держреєстрації 0197U004547), яка виконувалася в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя згідно тематичних планів НДР Міністерства освіти України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методик прогнозування короткотривалої динамічної повзучості гладких зразків і зразків з тріщинами із сплаву АМг6 з врахуванням впливу параметрів циклічного навантажування.

Для досягнення вказаної мети у роботі вирішуються наступні задачі:

-дослідити вплив циклічного навантажування на діаграми квазістатичного деформування гладких зразків і зразків з тріщинами;

-виявити основні закономірності впливу параметрів циклічного навантажування на динамічну повзучість гладких зразків і зразків з тріщинами за умови відсутності їх підростання;

-дослідити вплив циклічної складової на мікромеханізми повзучості і руйнування сплаву АМг6;

-розробити методики прогнозування короткотривалої повзучості гладких зразків і зразків з тріщинами в умовах комбінованого навантажування;

-розробити методики прогнозування діаграм деформування в умовах комбінованого навантажування.

Об'єкт дослідження - повзучість конструкційних матеріалів.

Предмет дослідження - короткотривала низькотемпературна повзучість алюмінієвого сплаву під дією комбінованого навантажування.

Методи дослідження - теоретичні дослідження проводились 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, відомих, а також запропонованих в даній роботі методик з визначення характеристик механічних властивостей, силових, енергетичних і деформаційних параметрів. Це дозволило, разом із використанням комплексу сучасних машин, отримати високу точність і достовірність результатів експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

-виявлено основні закономірності стрибкоподібної повзучості сплаву АМг6 в умовах комбінованого навантажування. Встановлено, що незалежно від частоти та амплітуди циклічної складової, величина миттєвих стрибкоподібних приростів деформації повзучості описується єдиною залежністю відносно добутку амплітуди напружень та кількості циклів навантажування до моменту стрибка;

-встановлено, що основною причиною істотного зростання деформації повзучості сплаву АМг6 при накладенні на короткотривале квазістатичне або статичне навантаження додаткової циклічної складової є рекристалізація, яка приводить до збільшення кількості центрів зародження пор, зростання їх густини та максимальних розмірів;

-запропоновано методику розрахунку діаграм деформування розтягуванням сплаву АМг6 при комбінованому навантажуванні, яка базується на використанні експериментальних результатів квазістатичного деформування і випробувань на повзучість;

-удосконалено відомі методики прогнозування впливу максимальних напружень на динамічну повзучість алюмінієвого сплаву, які базуються на теорії зміцнення, шляхом використання виявленої залежності приведеної динамічної повзучості від рівня максимальних напружень;

-запропоновано методику прогнозування короткотривалої повзучості зразка з тріщиною при комбінованому навантажуванні, основану на моделюванні тіла з тріщиною гладким зразком, аналізі напружено-деформованого стану у вершині тріщини і врахуванні впливу рівня максимальних напружень на деформацію повзучості.

Практичне значення одержаних результатів.

Запропоновані методики прогнозування динамічної повзучості сплаву АМг6 можуть бути використані при розрахунках елементів конструкцій, які працюють в умовах комбінованого навантажування.

Отриманий ефект збільшення розкриття вершини тріщини в умовах комбінованого навантажування може бути використаний для підвищення утримувальної здатності і довговічності конструкцій з тріщинами шляхом оптимізації режимів попереднього одноразового перевантаження.

Результати дисертаційної роботи в частині методики прогнозування впливу комбінованого навантажування на повзучість гладких зразків і тіл з тріщинами використовуються лабораторією випробувань на міцність АНТК ім. О.К. Антонова при розрахунках напружено-деформованого стану елементів конструкцій літаків на стадії проектування, а також для визначення характеристик механічних властивостей сплаву АМг6 за умов короткотермінового розтягування і повзучості (Акт впровадження АНТК № 1/478 від 25.04.2000 року).

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. В публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: в роботі [1] - розробка методик експериментальних досліджень впливу додаткового циклічного навантажування на діаграми деформування гладких зразків і тіл з тріщинами із сплаву АМг6 та аналіз отриманих результатів; в роботі [2] - розробка методики розрахунку діаграм деформування при комбінованому (квазістатичному і циклічному) навантажуванні; в роботі [3] - аналіз отриманих експериментальних результатів з допомогою відомих методик прогнозування динамічної повзучості, встановлення впливу рівня максимальних напружень на деформацію повзучості алюмінієвого сплаву, розширення існуючих методик розрахунку; у роботі [4] - порівняльний аналіз результатів фрактографічних досліджень зламів, виявлення мікромеханізмів руйнування сплаву АМг6 в умовах повзучості і короткотривалого розтягування; у роботі [5] - виявлення основних закономірностей впливу параметрів циклічного навантажування на повзучість алюмінієвого сплаву; у роботі [6] - розробка методики дослідження впливу комбінованого навантаження на повзучість сплаву АМг6; у роботі [7] - оцінка впливу комбінованого навантаження на напружено-деформований стан зразків з тріщинами. Постановку задач, аналіз та трактування результатів проведено спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на III та IV науково-технічних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя "Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні" (Тернопіль, 1998, 2000), Другій міжнародній конференції "Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій" (Львів, 1999), Міжнародній конференції "Оцінка і обгрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій" (Київ, 2000), на наукових семінарах у Фізико-механічному інституті імені Г.В.Карпенка НАН України (м.Львів, 2000) та в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя (Тернопіль, 1998-2000).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 8 друкованих працях. З них - 4 статті у фахових наукових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 150 сторінок, в т.ч. 49 рисунків, 8 таблиць та список використаних джерел із 163 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, визначена мета роботи та основні напрямки її досягнення, показані наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано відомі теоретичні та експериментальні дослідження напружено-деформованого стану матеріалів за статичного та циклічного навантажувань. Особливу увагу приділено впливу додаткового циклічного навантажування на повзучість гладких тіл та тіл з тріщинами.

За оглядом літератури визначено, що при наявності значної кількості методів розрахунку повзучості та руйнування тіл при статичному навантажуванні, аналіз впливу сумісної дії статичного та низькоамплітудного циклічного навантаження для елементів конструкцій виконується за спрощеними методиками. Практично не дослідженою є дія комбінованого навантажування на напружено-деформований стан тіл з тріщинами при відсутності їх підростання.

На основі виконаного аналізу сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі наведені методики експериментальних досліджень, вказано обладнання, методи і засоби реалізації силових схем та вимірювання деформацій і зміщень берегів тріщин. Подано характеристики матеріалів, креслення зразків для випробувань та схеми їх навантажування, формули для обчислення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) і J-інтегралу.

Експериментальні дослідження виконані на сервогідравлічній випробувальній машині СТМ-100 виробництва АНТК імені О.К. Антонова з керуючим ПК ІВМ РС/АТ. Керування машиною здійснювалось за зусиллям, прикладеним вздовж осі зразків. Реєстрація всіх результатів вимірювань здійснювалась ПК з періодичністю, кратною 0,055 сек.

Механічні властивості матеріалу та деформацію повзучості гладких тіл визначали на зразках з циліндричною робочою частиною діаметром 10мм. Дослідження впливу короткотривалого комбінованого навантажування на розкриття вершини тріщини проводили при позацентровому розтягові плоских зразків поперечним перерізом 12х24 мм.

В процесі експериментів виконано два типи дослідження: на повзучість за статичного і комбінованого (статичного та низькоамплітудного циклічного) навантажування тривалістю до 600 хв. та на короткотривалий розтяг (до 4 хв.) при квазістатичному навантажуванні без накладення та з накладенням додаткової циклічної складової (рис.1).

В експериментах на повзучість зразки швидко монотонно навантажувались до заданого рівня напружень, після чого частина з них витримувалась при статичних напруженнях с, а для інших на статичну складову додатково накладались циклічні напруження. Результати повзучості при статичному і комбінованому навантажуваннях порівнювали за умови с=max.

Всі дослідження виконані при 293К.

Для визначення мікромеханізмів руйнування матеріалу в умовах повзучості та короткотривалого розтягу проведені фрактографічні дослідження поверхонь зламів зразків за допомогою бінокулярного оптичного мікроскопа та растрового електронного мікроскопа типу "Comebax" в діапазоні збільшень від 750 до 2000 крат.

З метою виявлення мікроструктурних змін в матеріалі після відповідних видів навантажування порівняно з первісним станом виконані металографічні дослідження спеціально вирізаних у поперечному і поздовжньому перерізах зразків темплетів. Для визначення фазового складу сплаву підбирались відповідні травники. Дослідження мікроструктури проведені на металографічному мікроскопі МИМ-10 при 100- та 400-кратному збільшенні.

У третьому розділі наведені хімічний склад та механічні властивості сплаву АМг6, результати дослідження впливу комбінованого навантажування на повзучість гладких зразків та діаграми деформування при короткотривалому розтягуванні, мікромеханізми руйнування та мікроструктурні зміни в матеріалі при повзучості та розтягуванні. Запропоновано методику оцінки впливу рівня напружень на динамічну повзучість сплаву АМг6.

Статична повзучість гладких зразків, випробуваних при 4-х рівнях напружень в межах 300...355МПа (с= (0,8....0,98)в, де в - границя міцності матеріалу), протікає за схемою, характерною для зміцнюваних матеріалів: за короткий час досягається ділянка з усталеною швидкістю. Отримані експериментальні результати задовільно описуються залежністю

, (1)

де pс - деформація статичної повзучості; m, B, n - сталі величини, залежні від температури; с - напруження, при яких здійснюється процес повзучості; t – час (рис.2).

При накладенні на статичне напруження додаткової циклічної складової з різними частотами і амплітудами у всіх досліджених випадках виявлено істотне збільшення деформації порівняно з чисто статичним навантажуванням за умови max=с. Проте вплив циклічного навантажування не є однозначним: залежно від амплітуди і частоти спостерігаються стабільні або стрибкоподібні прирости деформації на усталеній ділянці повзучості.

Стабільна динамічна повзучість сплаву АМг6 спостерігається при різних рівнях максимальних напружень (300, 340, 355 МПа) і частоті циклічної складової f=25 Гц та амплітуді 2a=25 МПа. Максимальне збільшення деформації порівняно із статичним навантаженням отримано при max=300 МПа.

Відношення деформацій динамічної і статичної повзучості практично не залежить від часу навантаження у всіх досліджених випадках. Разом з тим із зростанням рівня максимальних напружень та коефіцієнта асиметрії циклу R дане відношення зменшується (рис. 3).

З метою аналізу отриманих результатів були використані відомі спрощені гіпотези прогнозування динамічної повзучості, згідно яких за умови відсутності рекристалізації матеріалу повзучість при накладенні додаткової циклічної складової протікає так само, як і при статичному навантажуванні, але з напруженнями, дещо вищими за середні напруження циклу, і її можна описати за однією з механічних теорій, зокрема за теорією зміцнення. Проведені обчислення дали значно занижені результати порівняно з експериментальними даними, тобто вищеназвані моделі не дозволяють спрогнозувати динамічну повзучість сплаву АМг6 з необхідною точністю.

Задовільне узгодження теоретичних і експериментальних даних повзучості отримано при застосуванні запропонованої залежності

, (2)

де pд - деформація динамічної повзучості; kr - коефіцієнт, залежний від рівня максимальних напружень та асиметрії циклу (рис. 3).

Комбіноване навантажування сплаву АМг6 при max=340 МПа з частотами циклічної складової 10; 16,5; 50 Гц та амплітудами 12,5; 37,5 МПа приводить до істотної зміни картини повзучості. Аналіз отриманих результатів свідчить, що повзучість сплаву АМг6 при вказаних умовах випробувань протікає на фоні стрибкоподібних приростів пластичної деформації на ділянках з усталеною швидкістю (рис.4). Величина миттєвих стрибків різна у всіх випадках, проте деформація під час них у 2...5 разів переважає решту деформації повзучості, накопичену за всю тривалість експерименту.

Характер стрибків практично не залежить ні від часу навантажування, ні від параметрів циклічної складової. Проте для кількості циклів навантажування N в межах від 1,2.105 до 2,5.105 загальна деформація повзучості зменшується при зростанні частоти для всіх досліджених випадків.

При аналізі стрибків було зроблено припущення, що величина миттєвого приросту деформації р залежить від історії попереднього циклічного навантажування. Враховуючи те, що при низькоамплітудному циклічному навантажуванні петля пластичного гістерезису відсутня, енергію, яка дисипується в матеріалі, можна наближено охарактеризувати добутком амплітуди циклічної складової a і кількості циклів до моменту стрибка N. Встановлено, що для досліджених параметрів навантажування між розглянутими характеристиками існує степенева залежність, тобто

, (3)

де А1 і k1 сталі величини.

Стрибкоподібний характер деформування сплаву АМг6 також виявлено при квазістатичному розтягуванні гладких зразків. При напруженнях, які перевищують 0,6в, cпостерігаються миттєві прирости деформації і вся наступна частина діаграми аж до моменту руйнування матеріалу є чергуванням таких приростів та відрізків, практично паралельних до пружної ділянки. Величина стрибків лінійно зростає із збільшенням рівня напружень, а їх тривалість змінюється від 0,1 до 0,4 сек.

Встановлено, що на процес деформування розтягуванням гладких зразків із сплаву АМг6 істотно впливає накладення незначних циклічних напружень. Аналіз експериментальних даних свідчить, що комбіноване навантажування з амплітудою циклічної складової 0,150,2 приводить до значного збільшення загальної деформації при однаковому рівні напружень (рис.5). Очевидно, це пов’язано з процесами повзучості, які розвиваються за дії циклічного навантажування з малою амплітудою. Відношення деформації при комбінованому і статичному навантажуваннях залишається приблизно постійним для всього діапазону, де помітна різниця між діаграмами 1 і 2.

Іншим важливим результатом є те, що циклічне навантажування ініціює процеси повзучості в алюмінієвому сплаві АМг6 навіть на лінійній ділянці діаграми 1. При комбінованому навантажуванні відхилення від пропорційної ділянки спостерігається при менших напруженнях порівняно із квазістатичним навантажуванням. Виявлено зменшення умовної границі текучості за розтягу під дією циклічного навантажування з 175 МПа до 165 МПа.

При квазістатичному деформуванні з накладенням циклічних напружень не вдалося зареєструвати миттєві стрибкоподібні прирости пластичної деформації, оскільки їх величина могла бути меншою розкиду пружно-пластичної деформації 0=max-min.

На основі проведених досліджень мікроструктури сплаву АМг6 виявлено механізм впливу додаткових циклічних напружень на збільшення деформації при повзучості і розтягуванні. У первісному стані матеріал складається з двох типів зерен: базових нерівновісних (максимальний розмір bзmax80 мкм) та незначної кількості рівновісних (bзmax7 мкм). Короткотривале деформування розтягуванням за комбінованого навантажування приводить до зменшення максимальних розмірів базових зерен порівняно як з первісним станом (до 30%), так і з квазістатичним навантажуванням (до 10%). При повзучості подрібнення базових зерен є менш помітним, проте накладення циклічного навантажування в цьому випадку приводить до утворення “пакетів” зерен, різних за розміром: групи зерен 5-6 балів чергуються з більш дрібними зернами 7-8 балів. Формування таких "пакетів" відбувається на стадії усталеної повзучості.

Більш істотним чинником, який характеризує зміни у мікроструктурі матеріалу, є утворення в результаті пластичної деформації сплаву дрібних рівновісних зерен 12-14 бала в повздовжньому і 11-12 бала - в поперечному перерізах, розташованих вздовж границь базових зерен. У повздовжньому перерізі рівновісні зерна утворюють ряди довжиною 0,2...0,5 мм та шириною 0,01...0,04 мм, паралельні осі деформації.

При розтягуванні накладення циклічної складової приводить до більш помітного подрібнення рівновісних зерен – 13 бал у порівнянні з 11-12 балом при квазістатичному розтягуванні та 11 балом у первісному стані. При цьому їх відносна кількість становить відповідно 12, 10 та 5-7%. Різниця у розмірі рівновісних зерен для всіх досліджених при повзучості зразків не перевищує 1 бала.

Подрібнення зерен і збільшення їх кількості приводить до зростання центрів зародження пор. У всіх пластично деформованих зразках виявлено дефекти у вигляді тріщин, малих, середніх і крупних пор круглої, подовженої та трикутної форми. Розмір дефектів коливається від 0,02 мм до 0,15 мм.

Загальна кількість дефектів та їх розміри у зразках зростають при підвищенні рівня напружень. При статичному навантажуванні пори спостерігаються лише на окремих ділянках зразків. Вплив циклічної складової проявляється у збільшенні густини і розмірів пор: при комбінованому навантажуванні вони виявлені практично у всіх досліджених точках поздовжнього та поперечного перерізів, максимальний їх розмір складає: при розтягуванні - 50 мкм порівняно з 30 мкм і при повзучості - 150 мкм порівняно з 70 мкм відповідно за комбінованого і статичного навантажувань.

Циклічне навантажування у всіх досліджених випадках приводить до “зминання” металу матриці біля частинок фаз сплаву Al3Mg2 і Al6Mn та утворення своєрідних бар’єрів навколо них, що свідчить про накопичення дефектів дислокаційного типу.

На основі фрактографічних досліджень зламів зразків встановлено, що накладення додаткової циклічної складової напруження: сприяє стабілізації процесу зародження і розвитку макротріщини відриву, на що вказує більш гладкий і рівний, порівняно із статичним навантажуванням, макрорельєф поверхні руйнування; дещо видовжує форму ямок на окремих фасетках; утворює стрічковий рельєф, очевидно пов'язаний з формуванням втомних боріздок, крок яких коливається від 1,8 мкм до 2,7 мкм; сприяє зародженню окремих тонких та протяжних мікротріщин, схожих на зернограничні.

У четвертому розділі досліджено вплив циклічного навантажування з амплітудою, співрозмірною з пороговим КІН, на діаграму квазістатичного розтягу і повзучість зразків з тріщинами із сплаву АМг6. Проаналізовано вплив частоти, максимального рівня і розмаху КІН на величину розкриття вершини тріщини, обумовлену повзучістю.

При повзучості зразки з попередньо вирощеною на довжину l0,5b тріщиною (тут b - ширина зразка) піддавались дії статичного або комбінованого навантажування тривалістю до 450 хвилин за схемою, наведеною на рис. 1,б. Параметри циклічного навантажування: амплітуда Ка=1,1 МПа і частота f=25 Гц. З метою запобігання підростання тріщини величина амплітуди Ка вибиралась нижче порогового розмаху КІН.

Аналіз експериментальних результатів (рис.6) дозволяє стверджувати, що незалежно від часу випробувань в діапазоні К=21...32 МПа розкриття вершини тріщини за рахунок повзучості при комбінованому навантажуванні за умови КmaxКс значно більше (до двох разів), ніж при статичному (тут Кс і Кmax- максимальні значення КІН відповідно при статичному і комбінованому навантажуванні). У всіх досліджених випадках ріст тріщини під час деформування був відсутній.

Досліджено вплив незначної циклічної складової (з частотами f=25 Гц і 50 Гц та амплітудами коефіцієнту інтенсивності напружень Ка=1,6МПа і 2,9МПа) на розкриття вершини тріщини при короткотривалому квазістатичному навантажуванні. Проаналізовано залежності розкриття вершини тріщини від КІН та J–інтегралу.

Встановлено, що при квазістатичному деформуванні зразків з різними довжинами тріщин (від 11,4 до 12,6 мм) характер залежності від К залишається незмінним (криві 1 і 2, рис.7). Разом з тим, розкриття вершини тріщини при комбінованому навантажуванні більші порівняно із квазістатичним у всіх випадках (криві 3-5, рис.7). Таким чином, циклічне навантажування, яке накладається на квазістатичне, також приводить до збільшення повзучості сплаву АМг6 на ділянці біля вершини тріщини. Як і у випадку динамічної повзучості гладких зразків, максимальне збільшення розкриття тріщини досягається при накладенні циклічної складової з частотою 25 Гц.

У п'ятому розділі розроблено методику розрахунку діаграми деформування гладких зразків із сплаву АМг6 при комбінованому навантажуванні, яка грунтується на визначенні миттєвої діаграми розтягування і результатах випробувань на статичну і динамічну повзучість, та методику прогнозування короткотривалої повзучості зразка з тріщиною при комбінованому навантажуванні, основану на аналізі напружено-деформованого стану у вершині тріщини і моделюванні тіла з тріщиною гладким зразком з врахуванням результатів обмежених випробувань на повзучість. Запропоновано шляхи підвищення методу одноразового перевантаження тіл з тріщинами для збільшення живучості елементів конструкцій.

При оцінці впливу повзучості на процеси деформування розтягуванням сплаву АМг6 за основу було взято миттєву діаграму розтягу - діаграму, отриману з швидкістю, при якій вплив супутнього деформування повзучості неістотний. Для знаходження миттєвої деформації м, яка відповідала напруженню , від повної деформації , визначеної за експериментальною діаграмою при квазістатичному навантажуванні, віднімали величину деформації повзучості pст

, (4)

де v() - функція, вид якої визначено з опрацювання експериментальних кривих повзучості при статичному навантажуванні.

Результати обчислень свідчать, що при квазістатичному навантажуванні з постійною швидкістю =1,6 МПа/с вклад повзучості у загальну деформацію неістотний і різниця між експериментальною та миттєвою діаграмами незначна. Разом з тим діаграма (крива 2, рис.5), отримана при тій же швидкості зміни статичного навантажування, але з накладенням циклічної складової, значно відрізняється від миттєвої.

Встановлено, що деформація повзучості pк, обчислена як різниця між комбінованою і миттєвою діаграмами, та коефіцієнт kr (рис.3) описуються залежністю єдиного виду від рівня максимальних напружень

f()=Сі(max), ` (5)

де Сі i – сталі величини.

Коефіцієнт однаковий для обох залежностей, значення С1 і С2 - різні.

Виходячи з викладеного вище, для опису діаграми деформування при комбінованому навантажуванні отримано наступне рівняння:

, (6)

де к і с - повна деформація, обчислена, відповідно, за комбінованою і статичною діаграмами; - стала величина; і С2 - коефіцієнти, значення яких визначаються з експериментів на статичну повзучість.

При напруженнях max>250 МПа теоретична діаграма, розрахована за рівнянням (6), практично співпадає з експериментальною (рис.5).

За основу моделі прогнозування повзучості зразка з тріщиною використано метод, який базується на припущенні, що деформацію матеріалу у вершині тріщини можна змоделювати процесом повзучості гладкого зразка довжиною Lref під дією одновісного розтягу з напруженнями ref (рис.8).

Для визначення ref було використано рівняння для розрахунку напружень в околі вершини тріщини в моделі Хатчисона-Райса-Розенгрена

, (7)

де 0,2- умовна границя текучості; r– відстань від вершини тріщини; I- безрозмірна функція від показника деформаційного зміцнення; - коефіцієнт деформаційного зміцнення; ()- нормована функція від кута ; r – відстань від вершини тріщини.

Довжина Lref умовного гладкого зразка приймалася пропорційною ширині залишкової незруйнованої частини зразка з тріщиною

Lref= (b - l), (8)

де - сталий коефіцієнт; l – довжина тріщини.

При моделюванні виходили з того, що приріст довжини Lref умовного зразка за рахунок повзучості повинен бути рівний приросту розкриття вершини тріщини плоского зразка . З врахуванням того, що повзучість гладких зразків за статичного навантажування задовільно описується рівнянням (1), отримано наступну формулу для обчислення с за рахунок повзучості

. (9)

Аналогічно для розкриття вершини тріщини при комбінованому навантажуванні з врахуванням залежності (2)

. (10)

Як видно з рис.6, теоретичні залежності, розраховані згідно запропонованого підходу, задовільно узгоджуються з результатами експериментів.

Для збільшення живучості елементів конструкцій запропоновано шляхи підвищення ефективності методу одноразового перевантаження тіл з тріщинами. На основі експериментальних досліджень (розділ 4) було встановлено, що накладення додаткового циклічного навантажування на квазістатичне розтягування зразків з тріщинами приводить до істотного (до двох разів) збільшення розкриття вершини тріщини порівняно з чисто квазістатичним навантажуванням при однакових максимальних значеннях КІН. Проведені обчислення показали, що накладення циклічних напружень при одноразовому перевантаженні дозволить зменшити (до 40%) максимальне значення навантаження для досягнення необхідної затримки росту тріщин у сплаві АМг6.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється у розробці методик прогнозування короткотривалої динамічної повзучості гладких зразків і зразків з тріщинами з врахуванням параметрів циклічного навантажування та обгрунтуванні методу підвищення утримувальної здатності елементів конструкцій.

1. На базі сервогідравлічної випробувальної машини СТМ-100 з керуванням від ПК ІВМ РС/АТ розроблені методики автоматизованого дослідження впливу комбінованого навантажування на діаграми деформування при одновісному розтягуванні та короткотривалу повзучість суцільних зразків і зразків з тріщинами із сплаву АМг6.

2. Виявлено основні закономірності деформування і руйнування гладких зразків сплаву АМг6 в умовах динамічної повзучості. Комбіноване навантажування як у випадку сталого, так і зростаючого середнього напруження циклу, приводить до істотного збільшення деформації повзучості в порівнянні з квазістатичним розтягом і повзучістю при статичному навантажуванні. Залежно від амплітуди і частоти навантажування спостерігається стабільна або стрибкоподібна повзучість. При стрибкоподібній повзучості відбувається чергування стабільних ділянок з миттєвими приростами деформації, які від 2 до 5 разів перевищують величину деформації, накопиченої на ділянках стабільної повзучості.

3. Встановлено, що для умов стабільної повзучості при однаковому рівні максимальних напружень відношення деформацій динамічної і статичної повзучості є інваріантним відносно часу навантаження. Із зростанням асиметрії циклу навантаження та рівня максимальних напружень дане відношення зменшується.

4. Запропоновано методику оцінки впливу рівня напружень на динамічну повзучість сплаву АМг6, основану на теорії зміцнення і виявленій залежності приведеної динамічної повзучості від рівня максимальних напружень, яка на відміну від відомих гіпотез задовільно узгоджується з результатами експериментальних досліджень.

5. Виявлено взаємозв'язок між інтенсифікацією процесів повзучості за комбінованого навантажування та мікромеханізмами деформування і руйнування сплаву АМг6. Вирішальним чинником збільшення деформації повзучості є подрібнення зерен, яке приводить до зростання їх кількості і до збільшення центрів зародження пор. Вплив циклічної складової проявляється у збільшенні густини і розмірів пор порівняно з повзучістю і короткотривалим розтягом за статичного навантажування.

6. Запропоновано методику розрахунку діаграм деформування гладких зразків сплаву АМг6 при квазістатичному навантажуванні з накладенням циклічної складової, яка грунтується на визначенні миттєвої діаграми розтягування і результатах випробувань на повзучість.

7. Виявлено основні закономірності деформування тіл з тріщинами із алюмінієвого сплаву в умовах повзучості при комбінованому навантажуванні для випадку сталого та зростаючого середнього напруження циклу. Комбіноване навантажування приводить до істотного (в 1,5...2 рази) збільшення розкриття вершини тріщини порівняно з статичним навантажуванням. У загальному випадку збільшення частоти циклічної складової при квазістатичному розтягуванні зменшує деформацію повзучості, що пов'язано із сповільненням процесів повзучості при зростанні швидкості навантажування.

8. Розроблено методику прогнозування короткотривалої повзучості зразка з тріщиною при комбінованому навантажуванні, основану на аналізі напружено-деформованого стану у вершині тріщини, моделюванні тіла з тріщиною гладким зразком, а також врахуванні запропонованого підходу до оцінки впливу рівня максимальних напружень на деформацію повзучості.

9. Запропоновано спосіб підвищення ефективності методу одноразового перевантаження тіл з тріщинами за рахунок збільшення залишкового затуплення тріщини шляхом накладення додаткової циклічної складової на етапі перевантаження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ясній П.В., Галущак М.П. Методика і деякі результати дослідження впливу циклічного навантажування на діаграми деформування сплаву АМг6 // Вісник Тернопільського державного технічного університету. -1998. –Т.3, ч.4. -С.62-66.

2. 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, ч.4. -С.23-28.

3. 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.

4. 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, ч.1. –С.6-11.

5. Ясній П.В., Галущак М.П., Федак С.І. Вплив амплітуди циклічного навантажування на динамічну повзучість алюмінієвого сплаву // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій: В 3-х т. / -Т.1. Механіка і механізми процесів руйнування матеріалів. -Львів: Каменяр, 1999. -С.268-272.

6. Ясній П.В., Галущак М.П. Повзучість сплаву АМг6 за сумісної дії квазістатичного і низькоамплітудного циклічного навантаження // Тези доповідей III науково-технічної конференції Тернопільського державного технічного університету. –Тернопіль. -1998. -С. 75.

7. Ясній П.В., Галущак М.П. Вплив динамічної повзучості на розкриття вершини тріщини в сплаві АМг6 // Тези доповідей міжнародної конференції "Оцінка і обгрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій". –Київ. -2000. -С.247-248.

8. Галущак М.П. Мікромеханізми повзучості алюмінієвого сплаву при комбінованому навантажуванні // Тези доповідей IV науково-технічної конференції Тернопільського державного технічного університету. –Тернопіль. -2000. -С. 26.

АНОТАЦІЇ

Галущак М.П. Прогнозування динамічної повзучості алюмінієвого сплаву. – 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, 2000.

Дисертація присвячена виявленню закономірностей впливу параметрів низькоамплітудного циклічного навантаження, поєднаного із значним рівнем статичних напружень, на повзучість сплаву АМг6. Встановлено, що деформація повзучості для гладких зразків і тіл з тріщинами при комбінованому навантажуванні у випадку сталого і зростаючого середнього напруження циклу істотно більша порівняно з квазістатичним розтягом і статичним навантажуванням. Виявлено основні закономірності стрибкоподібної та стабільної повзучості сплаву АМг6 в умовах комбінованого навантажування. Запропоновано методики оцінки впливу рівня напружень на динамічну повзучість алюмінієвого сплаву та розрахунку діаграм деформування гладких зразків при квазістатичному навантажуванні з накладенням циклічної складової. Розроблено методику прогнозування короткотривалої повзучості зразка з тріщиною при комбінованому навантажуванні. Виявлено взаємозв'язок між інтенсифікацією процесів повзучості за комбінованого навантажування та мікромеханізмами деформування і руйнування сплаву АМг6.

Ключові слова: алюмінієвий сплав, динамічна повзучість, тріщина, розкриття вершини тріщини, мікромеханізми деформування.

Галущак М.П. Прогнозирование динамической ползучести алюминиевого сплава. – 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, 2000.

Диссертация посвящена выявлению закономерностей влияния параметров низкоамплитудной циклической нагрузки, совмещенной со значительным уровнем статических напряжений, на ползучесть сплава АМг6 и разработке методов прогнозирования кратковременной динамической ползучести.

Разработаны методики автоматизированного исследования влияния комбинированной нагрузки на диаграммы деформирования и кратковременную ползучесть при одноосном растяжении гладких образцов и образцов с боковой трещиной при разных частотах и амплитудах циклической составляющей.

Установлено, что во всех исследованных случаях дополнительная циклическая нагрузка инициирует процессы ползучести в алюминиевом сплаве АМг6.

Для гладких образцов зависимо от частоты и амплитуды циклической составляющей деформирование сплава происходит стабильно или скачкообразно.

Для условий стабильной динамической ползучести увеличение деформации ползучести по сравнению со статическим нагружением инвариантно относительно времени и зависит от уровня максимальных напряжений и ассиметрии цикла. Исходя из этого предложена методика прогнозирования динамической ползучести сплава АМг6, за основу которой взята теория упрочнения. Представлено экспериментальное подтверждение полученного уравнения для значительного диапазона максимальных напряжений.

При скачкообразной ползучести мгновенные приращения деформации, обнаруженные на стадии с установившейся скоростью, не зависят от времени и параметров циклической составляющей, а их величина согласовывается с произведением амплитуды напряжений и количества циклов до момента скачка, которое в определенной мере характеризует энергию, рассеянную в материале.

Наложение дополнительной циклической составляющей на квазистатическое нагружение приводит к существенному увеличению общей деформации гладких образцов при одинаковом уровне максимальных напряжений, что тоже связано с интенсификацией процессов ползучести. Разработана методика расчета диаграммы деформирования гладких образцов при комбинированном нагружении, которая основывается на определении мгновенной диаграммы растяжения и учете результатов испытаний на статическую и динамическую ползучесть.

Установлено, что основной причиной увеличения деформации при комбинированной нагрузке сплава АМг6 является более интенсивное измельчение зерен материала. Предложен механизм, согласно которого измельчение зерен и возрастание их числа приводит к увеличению центров зарождения пор в материале. Влияние циклической составляющей проявляется в увеличении плотности и размеров пор по сравнении с ползучестью и кратковременным растяжением при статическом нагружении.

Комбинированное нагружение при растяжении сплава АМг6 приводит к определенным изменениям в механизмах разрушения, в частности стабилизирует процесс зарождения и развития макротрещины отрыва, на изломах формирует ленточный рельеф и тонкие протяжные макротрещины, которые не проявляются при разрушении в результате квазистатического и статического нагружения.

Установлено, что комбинированное нагружение тел с трещинами в случае постоянного и возрастающего среднего напряжения цикла с амплитудой циклической составляющей, соизмеримой с пороговым размахом коэффициента интенсивности напряжений, приводит к существенному увеличению деформации ползучести в вершине трещины при условии отсутствия ее подрастания.

Обнаруженные закономерности деформирования при растяжении тел с трещинами с наложением дополнительной циклической составляющей дали возможность предложить пути повышения эффективности метода одноразовой перегрузки на этапе роста усталостной трещины за счет уменьшения максимального уровня нагрузки.

На основании установленных подходов к прогнозированию деформации ползучести гладких образцов предложена методика расчета краткосрочной ползучести тел с трещинами при статическом и комбинированном нагружении, основанная на моделировании тела с трещиной гладким образцом и анализе напряженно-деформированного состояния в вершине трещины.

Ключевые слова: алюминиевый сплав, динамическая ползучесть, трещина, раскрытие вершины трещины, микромеханизмы деформирования.

Galushchak M.P. Prediction of the aluminium alloy dynamic creep. -Manuscript.

Dissertation for the candidate degree in engineering in speciality 01.02.04 “Fracture Mechanics”. – Ternopil Ivan Pul’uj State Technical University, Ternopil, 2000.

Dissertation deals with the detection of the peculiarities of low-amplitude cyclic loading parametres influence, connected with the great stress ratio, on the Al-6%Mg alloy creep. It was found that creep strain for the smooth specimens and cracked bodies under mixed loading in the case of stable and increasing middle cycle stress is much greater as compared with the quasi-static and static loading. The main peculiarities of the unstable and stable creep of Al-6%Mg alloy under mixed loading was found. The method of estimation of the stress influence on the dynamic creep of the aluminium alloy as well as calculation of the smooth specimens deformation diagrames under quasi-static loading when cyclic component is layed on was suggested. The method of prediction of the short-term cracked specimen creep under mixed loading was developed. The interrelation between intensification of the creep processes under mixed loading as well as deformation micromechanisms and Al-6%Mg alloy fracture was found.

Key words: aluminium alloy, dynamic creep, crack, crack tip opening displacement, deformation micromechanisms.