Накопление повреждений в окрестности отверстия при малоцикловой усталости по данным измерений локального деформационного отклика

Предложен и верифицирован новый разрушающий метод количественного описания процесса накопления повреждений в окрестности концентратора напряжений. Степень поврежденности в зоне, характеризующейся высокими градиентами деформаций, увеличивали предварительным малоцикловым растяжением-сжатием плоских образцов с центральными сквозными отверстиями. Данную процедуру проводили для трех программ с постоянным размахом напряжений 333,3 МПа, но различными коэффициентами асимметрии цикла, равными –0,33, –0,66 и –1,0, а также для двух программ с одним и тем же коэффициентом асимметрии цикла (–0,33), но различными значениями размаха напряжений, соответствующими 333,3 и 233,3 МПа. Такой процесс дает набор объектов исследования с различной степенью накопленных усталостных повреждений. Ключевой момент предлагаемого подхода заключается в том, что плоские образцы со сквозными отверстиями испытывали в соответствии с реальными условиями эксплуатации, без нанесения начального надреза, который инициирует рост усталостной трещины. Измеряемые параметры, необходимые для количественного описания процесса накопления повреждений, получали удалением локального объема материала в виде последовательности узких разрезов, которые наносили при постоянном уровне растягивающих номинальных напряжений. Наличие внешней нагрузки обеспечивало усиление полезного сигнала, который отражает степень поврежденности материала. Надрез служил для оценки уровня усталостных повреждений, также как зондирующие отверстия используют для освобождения энергии остаточных напряжений в методе сверления отверстия. Тангенциальные компоненты перемещений на берегах надреза измеряли на различных этапах циклического нагружения с помощью метода электронной спекл-интерферометрии. Переход от измеренных перемещений к величинам коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) проводили на основе соотношений линейной механики разрушения. Установлено, что нормализованные зависимости КИН для первого надреза от процента долговечности, построенные для четырех программ циклического нагружения с различными параметрами, отражают влияние коэффициента асимметрии цикла и размаха напряжений цикла нагружения на скорость накопления повреждений. С помощью этих данных получен явный вид функции, которая количественным образом описывает процесс накопления повреждений. Эти функции построены как для различных величин коэффициента асимметрии цикла, так и для разных значений амплитуды напряжений.

1. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. — М.: Машиностроение, 1981. — 272 с.

2. Osgood C. C. Fatigue Design, 2nd edition. — Oxford, U.K.: Pergamon Press, 1982. – 606 p.

3. Collins J. A. Failure of Materials in Mechanical Design: Analysis, Prediction, Prevention, 2nd edition. — NY, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapure: John Wiley & Sons, 1993. — 672 p.

4. Makhutov N., Matvienko Yu., Chernyakov S. A unified methodological approach to calculation analysis of the stages of nucleation and growth of low-cycle fatigue cracks / Mater. Sci. 1993. Vol. 29. N 2. P. 109 – 114.

5. Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. — М.: Наука, 1979. — 744 с.

6. Москвитин В. В. Циклическое нагружение элементов конструкций. — М.: Наука, 1981. — 344 с.

7. Мовчан А. А. Микромеханический подход к проблеме описания анизотропных рассеянных повреждений / Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1990. № 3. С. 115 – 123.

8. Мовчан А. А. Механика накопления рассеянных повреждений в элементах конструкций: Учебное пособие. — М.: Издательство МАИ, 1996. — 64 с.

9. Шанявский А. А. Модели зарождения и развития усталостного разрушения под поверхностью металлов / Научный вестник МГТУ ГА. 2012. № 179. С. 32 – 44.

10. Гаденин М. М. Исследование повреждаемости и долговечности конструкций при одно- и двухчастотных режимах нагружения на основе деформационных и энергетических подходов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 6. С. 44 – 52.

11. Смирнова Л. Л., Зинин А. В. Структурные особенности накопления повреждений при комбинированном циклическом нагружении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 5. С. 46 – 51. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-5-46-51.

12. Махутов Н. А. Обобщенные закономерности повреждаемости и сплошности при оценках долговечности в условиях переменности режимов нагружения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 9. С. 61 – 65. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-9-61-65.

13. Zerbst U., Klinger C., Clegg R. Fracture mechanics as a tool in failure analysis — prospects and limitations / Engineering Failure Analysis. 2015. Vol. 55. P. 376 – 410. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2015.07.001.

14. Shahani A. R., Mohammadi S. Damage tolerance approach for analyzing a helicopter main rotor blade / Engineering Failure Analysis. 2015. Vol. 57. P. 56 – 71. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2015.07.025.

15. Correia J. A. F. O., Balsón S., De Jesus A. M. P., Canteli A. F., Moreira P. M. G. P., Tavares P. J. Fatigue life prediction based on an equivalent initial flaw size approach and a new normalized fatigue crack growth model / Engineering Failure Analysis. 2016. Vol. 69. P. 15 – 28. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2016.04.003.

16. Marques F., Correia J. A. F. O., Abílio de Jesus M. P., Cunha Á., Caetano E., Fernandes A. A. Fatigue analysis of a railway bridge based on fracture mechanics and local modelling of riveted connections / Engineering Failure Analysis. 2018. Vol. 94. P. 121 – 144. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2018.07.016.

17. Goyal R., Bogdanov S., Elzein M., Glinka G. Fracture mechanics based estimation of fatigue lives of laser welded joints / Engineering Failure Analysis. 2018. Vol. 93. P. 340 – 355. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2018.07.017.

18. Ostash O. P. New approaches in fatigue fracture mechanics / Mater. Sci. 2006. Vol. 42. P. 5 – 19.

19. Pisarev V. S., Matvienko Y. G., Eleonsky S. I., Odintsev I. N. Combining the crack compliance method and speckle interferometry data for determination of stress intensity factors and T-stresses / Engineering Fracture Mechanics. 2017. Vol. 179. P. 348 – 374.

20. Елеонский С. И., Матвиенко Ю. Г., Писарев В. С., Чернов А. В. Эволюция параметров механики разрушения при малоцикловой усталости по данным моделирования трещины узкими надрезами / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 9. С. 52 – 62.

21. Мэнсон С. С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость / Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1974. — 344 с.

22. Коффин Л. Ф. Исследование термической усталости применительно к компенсационной способности высокотемпературных трубопроводов. — В кн.: Жаропрочные сплавы при изменяющихся температурах и напряжениях. — М. – Л.: Госэнергоиздат, 1960. С. 259 – 279.

23. Махутов Н. А. Исследование полей накопленных повреждений при циклическом нагружении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2000. Т. 66. Т. 8. С. 46 – 49.

24. Королев И. К. Численное моделирование накопления повреждений и развития усталостной трещины в упругих материалах / Вычисл. мех. спл. сред. 2009. Т. 2. № 3. С. 34 – 43.

25. Chalant G. Model of fatigue crack propagation by damage accumulation at the crack tip / Eng. Fract. Mech. 1983. Vol. 18. N 5. P. 939 – 952.

26. Ellyin F. Probabilistic simulation of fatigue crack growth by damage accumulation / Eng. Fract. Mech. 1985. Vol. 22. N 4. P. 697 – 712.

27. Glinka G. A Cumulative model of fatigue crack growth / Int. J. Fatigue. 1982. Vol. 4. N 2. P. 59 – 67.

28. Peerlings R. H. J., Brekelmans W. A. M., De Borst R. Gradient-enhanced damage modeling of high-cycle fatigue / Int. J. Numer. Meth. Eng. 2000. Vol. 49. N 12. P. 1547 – 1569.