zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2020-86-2-61-68zldm-1161Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSГеометрия образца с шевронным надрезом для определения вязкости разрушения и скорости роста трещиныOptimization of chevron-notched short bar specimen configuration for determination of the fracture toughness and crack growth rate of aluminum alloysСкотниковИ. А.SkotnikovI. A.

Игорь Александрович Скотников

121596, Москва, ул. Горбунова, д. 2

Igor A. Skotnikov

2, Gorbunova str., 121596, Moscow

isko57@yandex.ruВсероссийский институт легких сплавовРоссияAll-Russian Institute of light alloysRussian Federation2020270220208626168Copyright © Скотников И.А., 20202020Скотников И.А.Skotnikov I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1161

Цель работы — оптимизация метода определения вязкости разрушения на образцах с шевронным надрезом. С использованием известных положений механики разрушения определена геометрия образца с шевронным надрезом, обеспечивающая независимость коэффициента интенсивности напряжений от длины трещины в диапазоне, достаточном для его практического применения. Сформулировано требование к форме зависимости податливость — длина трещины для образца с шевронным надрезом. Обоснован выбор формы поперечного сечения образца с шевронным надрезом, геометрических размеров образца и приведена схема захватного приспособления. Получена и экспериментально подтверждена формула для расчета вязкости разрушения по максимальной нагрузке испытания и толщине образца. Проведено сравнение результатов испытаний на вязкость разрушения с использованием образцов с шевронным надрезом и стандартных образцов для ряда алюминиевых сплавов. Получены данные о масштабном факторе и коэффициенте вариации при определении вязкости разрушения. Приведены результаты исследования распределения вязкости разрушения по высоте толстых плит из сплавов 1163Т1 и В95пчТ2. Построена температурная зависимость вязкости разрушения плиты из сплава 1201Т1 в интервале температур от –196 до +200 °C при использовании образцов с шевронным надрезом. Рассмотрены особенности применения образцов с шевронным надрезом для определения скорости роста трещины, связанные с независимостью коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины от ее длины в достаточно широком диапазоне. Описана методика определения скорости роста трещины и приведены результаты оценки da/dN – ΔK для плиты из алюминиевого сплава 1163Т. Простота и надежность методов определения вязкости разрушения и скорости роста трещины (усталости, ползучести, коррозии) на образцах с шевронным надрезом предложенной геометрии позволяют рекомендовать их для проведения контроля и исследований в различных условиях испытаний.

The goal of the study is optimization of the fracture toughness determination procedure on the samples with a chevron notch. Well-known principles of fracture mechanics are used to determine the geometry of a specimen with a chevron notch, which ensures the independence of the stress intensity factor from the crack length in the range sufficient for its practical application. A requirement to the shape of the dependence «compliance – crack length» is formulated for a chevron-notched specimen. The choice of the cross-sectional shape of the specimen with a chevron notch, the geometric dimensions of the specimen, and the drawing of the gripping device are justified. The formula for calculation of the fracture toughness from the maximum test load and thickness of the specimen is derived and experimentally validated. The results of the fracture toughness tests of the samples with a chevron notch and standard samples are compared for a number of aluminum alloys. The data on the scale factor in the range of a sample thicknesses of 12.5, 25, and 50 mm and variation coefficient obtained upon the fracture toughness determination revealed the absence of the significant effect of the scale factor, 6% variation under the normal law of the fracture toughness distribution in the tests of chevron-notched specimens. The results on the fracture toughness distribution in the height of the thick plates of alloys 1163T1 and V95pchT2 are presented. The temperature dependence of the fracture toughness of the plate (alloy 1201T1) are constructed for chevron-notched specimens within a temperature range of –196 – +200°C. The features of using chevron-notched specimens for determination of the crack growth rate attributed to independence of the stress intensity factor at the crack tip on crack length are considered in a rather wide range. The method of the crack growth rate determination is described and the results of assessing da/dN – ΔK for an aluminum alloy plate 1163T are presented. The simplicity and reliability of the methods for determination of the fracture toughness and fracture growth rate (fatigue, creep, corrosion) on chevron-notched specimen of the proposed geometry allow us to recommend them for control tests and research in various test conditions.

образец с шевронным надрезомподатливостьвязкость разрушенияскорость роста трещиныалюминиевые сплавыchevron-notched specimencompliancefracture toughnesscrack growth ratealuminum alloysReferencesMunz D. G. Compliance and stress intensity coefficients for short bar specimens with chevron notches/ Int. J. Fract. 1980. Vol. 16. N 4. P. 359 – 374.Munz D. G. Compliance and stress intensity coefficients for short bar specimens with chevron notches/ Int. J. Fract. 1980. Vol. 16. N 4. P. 359 – 374.Grant T. J., Weber L., Mortensen A. Plasticity in Chevron-notch fracture toughness testing / Eng. Fract. Mech. 2000. Vol. 67. P. 263 – 276.Grant T. J., Weber L., Mortensen A. Plasticity in Chevron-notch fracture toughness testing / Eng. Fract. Mech. 2000. Vol. 67. P. 263 – 276.Bartisch M., Zang Z. F., Scheu C., Rühle M., and Messerschmidt U. Fracture parameters of chevron-notched Al2O3/Nb sandwich specimens / Z. Metallkd. 2004. Vol. 95. P. 779 – 784.Bartisch M., Zang Z. F., Scheu C., Rühle M., and Messerschmidt U. Fracture parameters of chevron-notched Al2O3/Nb sandwich specimens / Z. Metallkd. 2004. Vol. 95. P. 779 – 784.Рахимкулов Р. Р. Сопоставление значений величины вязкости разрушения K1c, полученной на образцах с шевронной прорезкой и по стандартной методике для стали Ст3сп / Нефтегазовое дело. 2010. № 2. С. 59 – 60.Rakhimkulov R. R. Comparison of the values of the fracture toughness K1c obtained on samples with Chevron slotting and the standard method for steel St3sp / Neftegazovoe delo. 2010. N 2. P. 59 – 60 [in Russian].Dai F., Chen R., Xia K. A Dynamic CCNBD Method for Measuring Dynamic Fracture Parameters. Dynamic Behavior of Materials / Proceedings of the 2010 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics. P. 42 – 48.Dai F., Chen R., Xia K. A Dynamic CCNBD Method for Measuring Dynamic Fracture Parameters. Dynamic Behavior of Materials / Proceedings of the 2010 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics. P. 42 – 48.Дерюгин Е. Е., Панин В. У., Суворов Б. И., Кибиткин В. В. Инженерный метод определения трещиностойкости материалов по данным испытаний образцов с шевронным надрезом/ Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», Томск, 2015: Тезисы докладов. С. 299.Deryugin E. E., Panin V. U., Suvorov B. I., Kibitkin V. V. Engineering method for determining the crack resistance of materials according to the test data of samples with Chevron notch. International conference «Perspective materials with hierarchical structure for new technologies and reliable constructions», Tomsk, 2015, Abstracts. P. 299 [in Russian].Zagar G., Singh A., Pejchal V., Mueller M., Mortensen A. On measuring fracture toughness under load control in the presence of slow crack growth / J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P. 3155 – 3166.Zagar G., Singh A., Pejchal V., Mueller M., Mortensen A. On measuring fracture toughness under load control in the presence of slow crack growth / J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35. P. 3155 – 3166.Berdigulov L. R., Schipachev A. M. Investigation of fracture toughness of metals / Juvenis scientia. 2016. N 2. P. 28 – 32.Berdigulov L. R., Schipachev A. M. Investigation of fracture toughness of metals / Juvenis scientia. 2016. N 2. P. 28 – 32.Дерюгин Е. Е., Лепов В. В. Определение трещиностойкости УМЗ материалов при испытании малоразмерных образцов с шевронным надрезом / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 1. С. 64 – 68.Deryugin E. E., Lepov V. V. Determination of fracture toughness of materials when testing small-sized samples with Chevron incision / Zavod. Lab. Diagn. Mater. Vol. 82. N 1. P. 64 – 68 [in Russian].Дерюгин Е. Е. Определение трещиностойкости материалов по данным испытаний образцов с шевронным надрезом / LVII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», Севастополь, 2016: Сборник тезисов. С. 59.Deryugin E. E. Determination of crack resistance of materials according to test data of samples with Chevron incision / LVII international conference «Actual problems of strength», Sevastopol, 2016, Collection of abstracts. P. 59.Deryugin Y., Narkevich N., Antipina N. New Method of Determine Fracture Toughness Characteristics of Small-Size Chevron-Notched Specimens / Int. J. Innovative Res. Eng. Manag. 2016. Vol. 3, July. P. 339 – 348.Deryugin Y., Narkevich N., Antipina N. New Method of Determininig Fracture Toughness Characteristics of Small-Size Chevron-Notched Specimens / Int. J. Innovative Res. Eng. Manag. 2016. Vol. 3, July. P. 339 – 348.Богданов А. А. Аналитический расчет трещиностойкости материалов по данным испытаний малоразмерных образцов с шевронным надрезом / XV Международная конференция «Перспективы развития фундаментальных работ», Томск, 2018. Т. 1. С. 72 – 74.Bogdanov A. A. Analytical calculation of fracture toughness of materials on tests of small-sized samples with a chevron notch. XV international conference «Prospects of development of fundamental works», Tomsk, 2018. Vol. 1. P. 72 – 74.Erarslan N. The importance of testing method to evaluate the most representative mode I fracture toughness value of brittle rocks / MOJ Civil Eng. 2018. Vol. 4(5). P. 437 – 441.Erarslan N. The importance of testing method to evaluate the most representative mode I fracture toughness value of brittle rocks / MOJ Civil Eng. 2018. Vol. 4(5). P. 437 – 441.Seitl S., Ruziska V., Miarka P., Sobek J. Analysis of various chevron notch types and its influence on the ligament area / Transactions of the VSB-Technical University of Ostrava, Civil Engineering Series. 2019. Vol. 19. N 1. P. 28 – 34.Seitl S., Ruziska V., Miarka P., Sobek J. Analysis of various chevron notch types and its influence on the ligament area / Transactions of the VSB-Technical University of Ostrava, Civil Engineering Series. 2019. Vol. 19. N 1. P. 28 – 34.Irwin G. R., Kies J. A. Critical Energy Rate Analysis of Fracture Strength / Weld J. 1954. Vol. 33. P. 193 – 198.Irwin G. R., Kies J. A. Critical Energy Rate Analysis of Fracture Strength / Weld J. 1954. Vol. 33. P. 193 – 198.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.