zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2026-92-6-56-67zldm-2859Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSО циклической деградации судовой стали F500W, оцененной методами акустической эмиссии и корреляции цифровых изображенийAbout cyclic degradation of F500W shipbuilding steel, assessed by acoustic emission and digital image correlation methodsБотвинаЛ. Р.BotvinaL. R.

Людмила Рафаиловна Ботвина

119334, Москва, Ленинский просп., 49.

Ludmila R. Botvina 

49, Leninskii prosp., Moscow, 119334

lbotvina@imet.ac.ruБолотниковА. И.BolotnikovA. I.

Алексей Игоревич Болотников 

119334, Москва, Ленинский просп., 49.

Alexey I. Bolotnikov 

49, Leninskii prosp., Moscow, 119334

ТютинМ. РTyutinM. R.

Марат Равилевич Тютин 

119334, Москва, Ленинский просп., 49.

Marat R. Tyutin 

49, Leninskii prosp., Moscow, 119334

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наукРоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2026040720269265667Copyright © Ботвина Л.Р., Болотников А.И., Тютин М.Р., 20262026Ботвина Л.Р., Болотников А.И., Тютин М.Р.Botvina L.R., Bolotnikov A.I., Tyutin M.R.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/2859

Изучено влияние предварительного циклического нагружения на прочностные свойства и характеристики поврежденности стали F500W при растяжении, оцененные методами акустической эмиссии и корреляции цифровых изображений. Показано, что деформационные зависимости параметров акустической эмиссии и корреляции цифровых изображений согласуются между собой и отражают стадийность процесса разрушения, обусловленную особенностями этого процесса и характеризующуюся достижением критических точек на кривой растяжения. Определены информативные показатели циклической деградации, включающие суммарное число событий ΣNАЭ, среднюю активность сигналов акустической эмиссии bАЭ-параметр, среднее значение угла нарастания RA, размеры слабо- и сильнодеформированной пластических зон (SL, SH). Обнаружено смещение максимума bАЭ-параметра с увеличением относительной долговечности (N/Nf) в сторону меньшей деформации, связанное с более ранним переходом от накопления малых трещин к их слиянию, подтверждаемому дальнейшим снижением bАЭ- и D-параметров. Установлено, что предварительное циклирование образцов стали F500W до числа циклов N/Nf , равного 0,4, 0,6, не приводит к существенным изменениям вида диаграмм деформации, остаточной прочности и работы разрушения, но увеличение этого числа до N/Nf = 0,8 вызывает повышение предела текучести, снижение предела прочности, работы разрушения и отношения предела прочности к пределу текучести, что свидетельствует о снижении пластичности материала после циклической нагрузки.

This study investigated the influence of preliminary cyclic loading on the strength properties and damage characteristics of F500W steel under tension, as evaluated by acoustic emission and digital image correlation methods. The deformation dependencies of the acoustic emission and digital image correlation parameters were found to be consistent with each other, reflecting the stages of the fracture process, caused by the features of this process and characterized by the achievement of critical points on the stress-strain curve. Informative indicators of cyclic degradation were determined, including the total number of events (ΣNAE), the average acoustic emission signal activity the bAE-value, amplitude damage parameter D, the average rise angle (RA) and the sizes of the low- and high-deformation plastic zones (SL and SH). A shift in the maximum bAE-value towards lower deformation has been detected with an increase in relative lifetime (N/Nf), associated with an earlier transition from the accumulation of small cracks to their merging. This is confirmed by a further decrease in the bAE-value and D parameter. Preliminary cycling of F500W steel specimens to N/Nf = 0.4 and 0.6 does not significantly alter the shape of the deformation curves, and values of residual strength and fracture work. However, increasing the number of cycles to N/Nf = 0.8 causes an increase in yield strength and a decrease in tensile strength, fracture energy, and the ratio of tensile strength to yield strength. This indicates a decrease in the material’s plasticity after cyclic loading.

усталостьарктическая сталь F500Wдеградацияакустическая эмиссиякорреляция цифровых изображенийfatiguearctic steel F500Wdegradationacoustic emissiondigital image correlationИсследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-19-00784).ReferencesQiao K., Liu Z., Sun Z., et al. Effects of low temperature overload and cycling temperature on fatigue crack growth behavior of ship steels in Arctic environments / Ocean Eng. 2023. Vol. 288. 116090. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2023.116090Qiao K., Liu Z., Sun Z., et al. Effects of low temperature overload and cycling temperature on fatigue crack growth behavior of ship steels in Arctic environments / Ocean Eng. 2023. Vol. 288. 116090. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2023.116090Zhang X., Cui C., Zhang Q. Evaluation of low-temperature high-cycle fatigue life of Q500qENH based on thermodynamic entropy / Eng. Struct. 2025. Vol. 343. 121124. DOI: 10.1016/j.engstruct.2025.121124Zhang X., Cui C., Zhang Q. Evaluation of low-temperature high-cycle fatigue life of Q500qENH based on thermodynamic entropy / Eng. Struct. 2025. Vol. 343. 121124. DOI: 10.1016/j.engstruct.2025.121124Chen M. T., Cai A., Pandey M., et al. Mechanical properties of high strength steels and weld metals at arctic low temperatures / Thin-Walled Struct. 2023. Vol. 185. 110543. DOI: 10.1016/j.tws.2023.110543Chen M. T., Cai A., Pandey M., et al. Mechanical properties of high strength steels and weld metals at arctic low temperatures / Thin-Walled Struct. 2023. Vol. 185. 110543. DOI: 10.1016/j.tws.2023.110543Shaposhnikov N. O., Ermakov B. S., Shvetsov O. V., et al. Influence of metal structural heterogeneity in a sheet tube billet on forming mechanical properties and crack resistance of steel pipes for operation in the Arctic climate conditions: CIS Iron and Steel Review. — Ore and Metals Publishing house, 2024. Vol. 28. P. 69 – 74. DOI: 10.17580/cisisr.2024.02.12Shaposhnikov N. O., Ermakov B. S., Shvetsov O. V., et al. Influence of metal structural heterogeneity in a sheet tube billet on forming mechanical properties and crack resistance of steel pipes for operation in the Arctic climate conditions: CIS iron and steel review. — Ore and Metals Publishing house, 2024. Vol. 28. P. 69 – 74. DOI: 10.17580/cisisr.2024.02.12Филин В. Ю. Контроль качества сталей для крупногабаритных сварных конструкций арктического шельфа. применение российских и зарубежных требований / Вопросы материаловедения. 2019. Т. 98. ¹ 2. С. 136 – 153. DOI: 10.22349/1994-6716-2019-98-2-136-153Filin V. Yu. Quality control of steels for large-sized welded structures of the arctic shelf. Application of Russian and foreign requirements / Vopr. Materialoved. 2019. Vol. 98. No. 2. P. 136 – 153 [in Russian]. DOI: 10.22349/1994-6716-2019-98-2-136-153Layus P., Kah P., Ryabov V., et al. Evaluation of applicability of thick E500 TMCP and F500W QT steel plates for Arctic service / Int. J. Mech. Mater. Eng. 2016. Vol. 11. No. 1.4. DOI: 10.1186/s40712-016-0057-zLayus P., Kah P., Ryabov V., et al. Evaluation of applicability of thick E500 TMCP and F500W QT steel plates for Arctic service / Int. J. Mech. Mater. Eng. 2016. Vol. 11. No. 1.4. DOI: 10.1186/s40712-016-0057-zShi S. Evaluating the structural integrity of high strength low alloy steels considered for shipbuilding using acoustic emission: a thesis for the degree of Master of Research. — University of Birmingham, 2015. — 107 p.Shi S. Evaluating the structural integrity of high strength low alloy steels considered for shipbuilding using acoustic emission: a thesis for the degree of Master of Research. — University of Birmingham, 2015. — 107 p.Akpan U. O., Koko T. S., Ayyub B., et al. Risk assessment of aging ship hull structures in the presence of corrosion and fatigue / Marine Struct. 2002. Vol. 15. No. 3. P. 211 – 231. DOI: 10.1016/s0951-8339(01)00030-2Akpan U. O., Koko T. S., Ayyub B., et al. Risk assessment of aging ship hull structures in the presence of corrosion and fatigue / Marine Struct. 2002. Vol. 15. No. 3. P. 211 – 231. DOI: 10.1016/s0951-8339(01)00030-2Kappatos V., Dermatas E. Structural health monitoring of ship and other offshore structures using acoustic emission testing / J. K. Burnet, ed. Theory and Uses of Acoustic emissions. — Nova Science Publishers, 2012. P. 95 – 106.Kappatos V., Dermatas E. Structural health monitoring of ship and other offshore structures using acoustic emission testing / J. K. Burnet, ed. Theory and Uses of Acoustic emissions. — Nova Science Publishers, 2012. P. 95 – 106.Rivera F. G., Edwards G., Eren E., Soua S. Acoustic emission technique to monitor crack growth in a mooring chain / Appl. Acoust. 2018. Vol. 139. P. 156 – 164. DOI: 10.1016/j.apacoust.2018.04.034Rivera F. G., Edwards G., Eren E., Soua S. Acoustic emission technique to monitor crack growth in a mooring chain / Appl. Acoust. 2018. Vol. 139. P. 156 – 164. DOI: 10.1016/j.apacoust.2018.04.034Pan B. Recent progress in digital image correlation / Exp. Mech. 2011. Vol. 51. No. 7. P. 1223 – 1235. DOI: 10.1007/s11340-010-9418-3Pan B. Recent progress in digital image correlation / Exp. Mech. 2011. Vol. 51. No. 7. P. 1223 – 1235. DOI: 10.1007/s11340-010-9418-3Cox S. J. D., Meredith P. G. Microcrack formation and material softening in rock measured by monitoring acoustic emissions / Int. J. Rock Mech. Mining Sci. Geomech. Abstrs. 1993. Vol. 30. No. 1. P. 11 – 24. DOI: 10.1016/0148-9062(93)90172-aCox S. J. D., Meredith P. G. Microcrack formation and material softening in rock measured by monitoring acoustic emissions / Int. J. Rock Mech. Mining Sci. Geomech. Abstrs. 1993. Vol. 30. No. 1. P. 11 – 24. DOI: 10.1016/0148-9062(93)90172-aColombo I. S., Main I. G., Forde M. C. Assessing damage of reinforced concrete beam using «b-value» analysis of acoustic emission signals / J. Mater. Civil Eng. 2003. Vol. 15. No. 3. P. 280 – 286. DOI: 10.1061/(asce)0899-1561(2003)15:3(280)Colombo I. S., Main I. G., Forde M. C. Assessing damage of reinforced concrete beam using «b-value» analysis of acoustic emission signals / J. Mater. Civil Eng. 2003. Vol. 15. No. 3. P. 280 – 286. DOI: 10.1061/(asce)0899-1561(2003)15:3(280)Blaber J., Adair B., Antoniou A. Ncorr: open-source 2D digital image correlation MATLAB software / Exp. Mech. 2015. Vol. 55. No. 6. P. 1105 – 1122. DOI: 10.1007/s11340-015-0009-1Blaber J., Adair B., Antoniou A. Ncorr: open-source 2D digital image correlation MATLAB software / Exp. Mech. 2015. Vol. 55. No. 6. P. 1105 – 1122. DOI: 10.1007/s11340-015-0009-1Клевцов Г. В., Ботвина Л. Р. Микро- и макрозона пластической деформации как критерии предельного состояния материала при разрушении / Проблемы прочности. 1984. № 4. С. 24 – 28.Klevtsov G. V., Botvina L. R. Microscopic and macroscopic plastic deformation as a criterion of the limiting state of a material during fracture / Strength Mater. 1984. Vol. 16. No. 4. P. 473 – 479. DOI: 10.1007/bf01529228Ботвина Л. Р., Болотников А. И., Синев И. О. Иерархия микротрещин при циклическом и статическом нагружении / Физическая мезомеханика. 2019. Т. 22. № 6. С. 24 – 36. DOI: 10.24411/1683-805x-2019-16003Botvina L. R., Bolotnikov A. I., Sinev I. O. Hierarchy of microcracks under cyclic and static loads / Phys. Mesomech. 2020. Vol. 23. No. 6. P. 466 – 476. DOI: 10.1134/s1029959920060028Козинкина А. И., Рыбакова Л. М. Учет особенностей кинетики разрушения при оценке надежности и долговечности конструкционных материалов / Вестник машиностроения. 2003. № 12. С. 27 – 29.Kozinkina A. I., Rybakova L. M. Accounting for the features of fracture kinetics in assessing the reliability and durability of structural materials / Vestn. Mashinostr. 2003. No. 12. P. 27 – 29 [in Russian].Панин С. В., Бяков А. В., Любутин П. С. и др. Исследование деформации и разрушения по данным акустической эмиссии, корреляции цифровых изображений и тензометрии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2011. Т. 77. № 9. С. 50 – 59.Panin S. V., Byakov A. V., Lyubutin P. S., et al. Study of deformation and fracture using data of acoustic emission, correlation of digital images and strain-gauging / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2011. Vol. 77. No. 9. P. 50 – 59 [in Russian].Монахов А. Д., Гуляев М. М., Гладышева Н. Е., и др. Применение метода корреляции цифровых изображений для построения диаграмм деформирования в истинных координатах / Известия вузов. Цветная металлургия. 2023. №. 3. С. 79 – 88. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-3-79-88Monakhov A. D., Gulyaev M. M., Gladysheva N. E., et al. Using the method of correlation of digital images for plotting stress-strain curves in true coordinates / Izv. Vuzov. Tsvet. Met. 2023. No. 3. P. 79 – 88 [in Russian]. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-3-79-88Ботвина Л. Р., Болотников А. И., Синев И. О. О характерных напряжениях деградации конструкционных материалов при растяжении / Металлы. 2025. № 2. С. 49 – 56. DOI: 10.31857/s0869573325024956Botvina L. R., Bolotnikov A. I., Sinev I. O. On characteristic degradation stresses of structural materials under tension / Metally. 2025. No. 2. P. 49 – 56 [in Russian]. DOI: 10.31857/s0869573325024956Синев И. О. О корреляции поврежденности и параметров неразрушающего контроля при растяжении образцов из судостроительной стали F500W / Физико-химия и технология неорганических материалов: Сборник материалов XX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов. — М.: Буки Веди, 2023. С. 97 – 99.Sinev I. O. On the correlation between damage and nondestructive testing parameters during tension of specimens made of shipbuilding steel F500W / Physical chemistry and technology of inorganic materials: proc. of the 20th Russian annual conf. of young researchers and postgraduate students. — Moscow: Buki Vedi, 2023. P. 97 – 99 [in Russian].Рыбакова Л. М. Механические закономерности деструкции металла при объемном и поверхностном пластическом деформировании / Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. № 5. С. 113 – 123.Rybakova L. M. Mechanical patterns of metal destruction during bulk and surface plastic deformation / Probl. Mashinostr. Nadezhn. Mash. 1998. No. 5. P. 113 – 123 [in Russian].Панин С. В., Бяков А. В., Гренке В. В. и др. Многомасштабное исследование стадийности локализованной пластической деформации при растяжении образцов сплава Д16АТ с надрезами акустико-эмиссионным и оптико-телевизионным методами / Физическая мезомеханика. 2009. Т. 12. ¹ 6. С. 63 – 72.Panin S. V., Byakov A. V., Grenke V. V., et al. Multiscale monitoring of localized plastic strain evolution stages in notched aluminum AA 2024 alloy tension specimens by acoustic emission and television-optical techniques / Phys. Mesomech. 2010. Vol. 13. No. 3 – 4. P. 203 – 211. DOI: 10.1016/j.physme.2010.07.014Cui Z., He S., Tang J., et al. Effect of grain size on the plastic deformation behaviors of a Fe – 18Mn – 1.3Al – 0.6C austenitic steel / Materials. 2022. Vol. 15. No. 24. 8717. DOI: 10.3390/ma15248717Cui Z., He S., Tang J., et al. Effect of grain size on the plastic deformation behaviors of a Fe – 18Mn – 1.3Al – 0.6C austenitic steel / Materials. 2022. Vol. 15. No. 24. 8717. DOI: 10.3390/ma15248717Gutierrez-Urrutia I., Raabe D. Dislocation and twin substructure evolution during strain hardening of an Fe – 22 wt.% Mn – 0.6 wt.% C TWIP steel observed by electron channeling contrast imaging / Acta Mater. 2011. Vol. 59. No. 16. P. 6449 – 6462. DOI: 10.1016/j.actamat.2011.07.009Gutierrez-Urrutia I., Raabe D. Dislocation and twin substructure evolution during strain hardening of an Fe – 22 wt.% Mn – 0.6 wt.% C TWIP steel observed by electron channeling contrast imaging / Acta Mater. 2011. Vol. 59. No. 16. P. 6449 – 6462. DOI: 10.1016/j.actamat.2011.07.009Mahato B., Shee S. K., Sahu T., et al. An effective stacking fault energy viewpoint on the formation of extended defects and their contribution to strain hardening in a Fe – Mn – Si – Al twinning-induced plasticity steel / Acta Mater. 2015. Vol. 86. P. 69 – 79. DOI: 10.1016/j.actamat.2014.12.015Mahato B., Shee S. K., Sahu T., et al. An effective stacking fault energy viewpoint on the formation of extended defects and their contribution to strain hardening in a Fe – Mn – Si – Al twinning-induced plasticity steel / Acta Mater. 2015. Vol. 86. P. 69 – 79. DOI: 10.1016/j.actamat.2014.12.015Ботвина Л. Р., Петерсен Т. Б., Тютин М. Р. Акустическое затишье как диагностический признак предразрушения / Доклады РАН. 2018. Т. 479. ¹ 5. С. 514 – 518. DOI: 10.7868/s0869565218110087Botvina L. R., Tyutin M. R., Petersen T. B. The acoustic gap as a diagnostic sign of prefracture / Dokl. RAN. 2018. Vol. 63. No. 4. P. 173 – 176. DOI: 10.1134/s1028335818040067

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