zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2021-87-4-43-51zldm-1404Research ArticleМЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬMECHANICAL TESTING METHODSМоделирование и расчет продолжительности роста усталостных трещин в конструкционных сталяхModeling and calculation of the fatigue crack growth life in structural steelsСавкинА. Н.SavkinA. N.

Алексей Николаевич Савкин

400005, Волгоград, пр. им. Ленина, д. 28

Alexey N. Savkin

28, prosp. im. Lenina, Volgograd, 400005

tfpic@vstu.ruБадиковК. А.BadikovK. A.

Кирилл Андреевич Бадиков

400005, Волгоград, пр. им. Ленина, д. 28

Kirill A. Badikov

28, prosp. im. Lenina, Volgograd, 400005

СедовА. А.SedovA. A.

Александр Александрович Седов

400005, Волгоград, пр. им. Ленина, д. 28

Alexander A. Sedov

28, prosp. im. Lenina, Volgograd, 400005

Волгоградский государственный технический университетРоссияVolgograd State Technical UniversityRussian Federation2021230420218744351Copyright © Савкин А.Н., Бадиков К.А., Седов А.А., 20212021Савкин А.Н., Бадиков К.А., Седов А.А.Savkin A.N., Badikov K.A., Sedov A.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/1404

Исследована кинетика роста усталостной трещины при испытании компактных образцов из стали типа C(T) на растяжение — на среднем участке кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР) — при регулярном и нерегулярном нагружениях с различной асимметрией и максимальным значением нагрузки. Образцы испытывали на сервогидравлической машине BISS Nano-25kN. При этом использовали выборки стандартных спектров нагружения, характерных для различных технических объектов, испытывающих в процессе эксплуатации переменное нагружение. Получены значения скорости роста трещин за цикл в блоке нагружения. Предложены параметры, оценивающие характер нерегулярного нагружения и закрытие трещины, а именно — мера нерегулярности и коэффициент закрытия трещины. При расчете эффективного значения размаха коэффициента интенсивности напряжений (КИН) в устье трещины предложено учитывать, кроме коэффициента закрытия трещины, меру нерегулярности нагружения. При таком подходе полученные КДУР были сгруппированы в одну эквивалентную кривую, характерную для регулярного нагружения с R = 0. Группировка КДУР позволила использовать единые параметры при расчете кинетики ростра трещины независимо от типа и параметров нагружения, что упростило процесс определения роста трещины. Проведено прогнозирование продолжительности роста усталостной трещины с учетом ее «закрытия» и характера нагружения по предложенному подходу и по цикловому методу расчета (цикл-за-цикл). Все полученные данные распределены согласно типу нагружения. Результаты расчета и экспериментальные данные показали хорошую сходимость, что подтвердили высокие значения коэффициента корреляции.

The kinetics of fatigue crack growth has been studied in tensile testing of compact steel tensile specimens (S(T)-type) in the middle section of the kinetic diagram of fatigue fracture (fatigue crack growth diagram) under regular and irregular loading with different asymmetry and maximum load values. The samples were tested on a BISS Nano-25kN servo-hydraulic machine. Standard loading spectra typical for different technical objects exposed to alternating loading during operation were used. The values of the crack growth rate per cycle in the loading block were obtained. Parameters for assessing the character of irregular loading and crack closure, namely, the irregularity factor and crack closure coefficient were proposed. When calculating the effective value of the range of the stress intensity factor (SIF) at the crack mouth, we propose also to take into account the loading irregularity in addition to the closure coefficient. With this approach, the obtained fatigue crack growth diagrams can be grouped into one equivalent curve, which is characteristic of regular loading with R = 0. Moreover, grouping of the fatigue crack growth diagrams provided the use of unified parameters when calculating the crack growth kinetics, regardless of the type and parameters of loading, which rather simplified the crack growth determination. The fatigue crack growth life was predicted taking into account the crack «closure» and the nature of loading according both to the approach developed by the authors and by cyclic calculation method (cycle-by-cycle). All the data obtained are tabulated and classed according to the type of loading. The calculation results and experimental data showed good convergence, which was confirmed by the high values of the correlation coefficient.

усталостное испытаниекинетика роста трещиныпрогнозирование роста трещинрегулярное и нерегулярное нагружениеfatigue testassessment of the crack growth kineticscrack growth predictionregular and irregular loadingReferencesSavkin A. N., Andronik A. V., Gorunov A. I. Sedov A. A., Sukhanov M. A. Advanced materials of automobile bodies in volume production / European Transport — Trasporti Europei (Italy). 2014. Issue 56. N 10. P. 1 – 27.Savkin A. N., Andronik A. V., Gorunov A. I. Sedov A. A., Sukhanov M. A. Advanced materials of automobile bodies in volume production / European Transport — Trasporti Europei (Italy). 2014. Issue 56. N 10. P. 1 – 27.Панасюк В. В. Механика квазихрупкого разрушения материалов. — Киев: Наукова думка. 1991. — 416 с.Panasyuk V. V. The quasi-brittle fracture mechanics of materials. — Kiev: Naukova Dumka, 1991. — 416 p. [in Russian].Schive J. Fatigue of structures and materials. Second edition with CD-ROM. — Springer, 2008. — 621 p.Schive J. Fatigue of structures and materials. Second edition with CD-ROM. — Springer, 2008. — 621 p.Heuber P., Bruder T., Klätschke H. Standardized load — time histories — a contribution to durability issues under spectrum loading / Mat-wiss. u Werkstofftech. 2005. Vol. 36. N 11. S. 669 – 677.Heuber P., Bruder T., Klätschke H. Standardized load — time histories — a contribution to durability issues under spectrum loading / Mat-wiss. u Werkstofftech. 2005. Vol. 36. N 11. S. 669 – 677.Горобцов А. С., Карцов С. К., Плетнев А. Е., Поляков Ю. А. Компьютерные методы построения и исследования математических моделей динамики конструкций автомобилей: монография. — М.: Машиностроение, 2011. — 463 с.Gorobtsov A. S., Kartsov S. K., Pletnev A. E., Polyakov Yu. A. Computer methods of construction and research of mathematical models of the dynamics of car structures: monograph. — Moscow: Mashinostroenie, 2011. — 463 p. [in Russian].Downing S. D., Socie D. F. Simple rainflow counting algorithms / Int. J. Fatigue. 1982. Vol. 4. N 1. P. 76 – 82.Downing S. D., Socie D. F. Simple rainflow counting algorithms / Int. J. Fatigue. 1982. Vol. 4. N 1. P. 76 – 82.Савкин А. Н., Андроник А. В., Суханов М. А. Формирование спектров нагружения элементов подвески грузового автомобиля Nissan Ashok Leyland на основе микропрофиля и типа дорожного покрытия. — В сб.: Прогресс транспортных средств и систем. — Волгоград: ВолгГТУ, 2013. С. 86 – 87.Savkin A. N., Andronik A. V., Sukhanov M. A. The loading spectra generation of the Nissan Ashok Leyland truck suspension elements based on the microprofile and the type of road surface / Progress of vehicles and systems. — 2013. Volgograd: VolgGTU, 2013. P. 86 – 87 [in Russian].Савкин А. Н., Андроник А. В., Бадиков К. А., Седов А. А. Оценка влияния полноты нагружения при перегрузочных и недогрузочных режимах в низколегированной автомобильной стали / Известия ВолгГТУ. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. 2016. № 9(188). С. 79 – 83.Savkin A. N., Andronik A. V., Badikov K. A., Sedov A. A. Assessment of the effect of load fullness ratio value with overloads and underloads in low alloy automotive steel / Izv. VolgGTU. Probl. Materialoved. Svarki Prochn. Mashinostr. 2016. N 9(188). P. 79 – 83 [in Russian].Савкин А. Н., Сундер Р., Седов А. А., Бадиков К. А. Кинетика роста усталостной трещины в алюминиевом сплаве 2024-Т3 при переменном циклическом нагружении / Деформация и разрушение материалов. 2019. № 12. С. 37 – 43.Savkin A. N., Sunder R., Sedov A. A., Badikov K. A. Kinetics of fatigue crack growth in an aluminum alloy 2024-T3 under variable cyclic loading / Deform. Razrush. Mater. 2019. N 12. P. 37 – 43 [in Russian].Броек Д. Основы механики разрушения. — М.: Высшая школа, 1980. — 368 с.Broek D. Elementary engineering fracture mechanics. — Moscow: Vysshaya shkola, 1980. — 368 p. [in Russian].Sunder R. Unraveling the Science of Variable Amplitude Fatigue / J. ASTM Int. 2012. Vol. 9. N 1. P. 32.Sunder R. Unraveling the Science of Variable Amplitude Fatigue / J. ASTM Int. 2012. Vol. 9. N 1. P. 32.Sunder R., Andronik A., Biakov A., Eremin A., Panin S., Savkin A. Combined action of crack closure and residual stress under periodic overloads: A fractographic analysis / Int. J. Fatigue. 2016. Vol. 82. Part 3. P. 667 – 675.Sunder R., Andronik A., Biakov A., Eremin A., Panin S., Savkin A. Combined action of crack closure and residual stress under periodic overloads: A fractographic analysis / Int. J. Fatigue. 2016. Vol. 82. Part 3. P. 667 – 675.Kihl D. P. Stochastic fatigue concepts in welded surface scup structures. Departamental Report SSPD-90-173-25. US Navy: David Taylor Research Center, Beteshda, 1999.Kihl D. P. Stochastic fatigue concepts in welded surface scup structures. Departamental Report SSPD-90-173-25. US Navy: David Taylor Research Center, Beteshda, 1999.Paris P. C., Erdogan F. A Critical Analysis of Crack Propagation Laws / J. Basic Eng. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. Ser. D. 1963. Vol. 85. P. 528 – 534.Paris P. C., Erdogan F. A Critical Analysis of Crack Propagation Laws / J. Basic Eng. Trans. Am. Soc. Mech. Eng. Ser. D. 1963. Vol. 85. P. 528 – 534.Савкин А. Н., Андроник А. В., Бадиков К. А., Седов А. А. Оценка влияния характера нагружения и силовых параметров случайного внешнего воздействия на рост усталостной трещины в низколегированной стали / Деформация и разрушение материалов, 2017. № 7. С. 40 – 45.Savkin A. N., Andronik A. V., Badikov K. A., Sedov A. A. Assessment of the influence of the loading type and force parameters of a random loading on fatigue crack growth in low alloy steel / Deform. Razrush. Mater. 2017. N 7. P. 40 – 45 [in Russian].Емельянов О. В., Лядецкий И. А. Определение характеристик сопротивления стали развитию трещин при циклическом изменении нагрузки / Строительные материалы и изделия: Межвузовский сборник научных трудов. — Магнитогорск: МГТУ, 2002.Emelyanov O. V., Lyadetskiy I. A. Determination of steel resistance parameters to crack development under nonregular cyclic loading / Building materials and products: Interuniversity collection of scientific papers. — Magnitogorsk: MGTU, 2002 [in Russian].

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