Моделирование и расчет продолжительности роста усталостных трещин в конструкционных сталях

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.

1. 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.

2. Панасюк В. В. Механика квазихрупкого разрушения материалов. — Киев: Наукова думка. 1991. — 416 с.

3. Schive J. Fatigue of structures and materials. Second edition with CD-ROM. — Springer, 2008. — 621 p.

4. 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.

5. 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.

6. Downing S. D., Socie D. F. Simple rainflow counting algorithms / Int. J. Fatigue. 1982. Vol. 4. N 1. P. 76 – 82.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Броек Д. Основы механики разрушения. — М.: Высшая школа, 1980. — 368 с.

11. Sunder R. Unraveling the Science of Variable Amplitude Fatigue / J. ASTM Int. 2012. Vol. 9. N 1. P. 32.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.