Стадийность кинетики усталостных трещин: закономерности и особенности

Представлена концепция стадийности кинетики усталостных трещин (КУТ), в соответствии с которой стадийность КУТ обусловлена изменением локализованных у фронта трещины критических (предшествующих разрушению) деформационных структур и микромеханизмов разрушения, действующих в этих структурах. На первой стадии КУТ такими структурами являются заторможенные у различных барьеров дислокационные скопления. При этом распространение трещины происходит по энергетически малоемким механизмам хрупкого разрушения с образованием сколов различных масштабов. На второй и третьей стадиях КУТ у фронта трещины формируется критическая двухуровневая фрагментированная структура (двухуровневое наноструктурное состояние). Микрорасслаивания вдоль границ крупномасштабных фрагментов этой структуры, ориентированных в направлении максимальной главной деформации, играют ключевую роль в высокоэнергоемком механизме устойчивого роста трещины на второй стадии КУТ и формируют усталостные бороздки на поверхности разрушения. На третьей стадии КУТ наряду с механизмом устойчивого роста трещины действует механизм зарождения и развития разрушения на границах мелкомасштабных фрагментов критической фрагментированной структуры с образованием микропор, в результате чего на соответствующих участках поверхности разрушения образуются микроямки. Универсальный характер стадийности КУТ и особенности ее проявления проиллюстрированы результатами фрактографического анализа развития трещин мало- и многоцикловой усталости в высоконапряженных деталях авиадвигателей при различных условиях циклического нагружения: при автоколебаниях и случайных колебаниях лопаток компрессоров, при повторно-статическом нагружении дисков компрессоров в процессе циклических испытаний в условиях вакуума и в процессе эксплуатации при наличии кристаллографической текстуры.

1. Forsyth P. J. E. Fatigue damage and crack growth in aluminium alloys / Acta Metallurgica. 1963. Vol. 11. P. 703 – 713.

2. Красовский А. Я. Механизмы распространения трещин усталости в металлах / Проблемы прочности. 1980. № 10. С. 65 – 72.

3. Кишкина С. И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. — М.: Металлургия, 1981. — 280 с.

4. Ботвина Л. Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. — М.: Наука, 1989. — 230 с.

5. Романив О. Н., Ярема С. Я., Никифорчин Г. Н., Махутов Н. А., Стадник М. М. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. Т. 4 / Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие в 4-х томах / Под общей ред. В. В. Панасюка. — Киев: Наукова думка, 1990. — 680 с.

6. Klesnil M., Lukas P. Fatigue of metallic materials. — Elsevier, 1992. — 270 p.

7. Miller K. J. Materials science perspective of metal fatigue resistance / Mater. Sci. Technol. 1993. Vol. 9. P. 453 – 462.

8. Терентьев В. Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. — М.: Интермет Инжиниринг, 2002. — 288 с.

9. Paris P., Erdogan F. A critical analysis of crack propagation laws / J. Basic Eng. (Trans. ASME). 1963. N 12. P. 528 – 534.

10. Туманов Н. В. Стадийность кинетики усталостных трещин и механизм периодического расслаивания-разрыва / Труды I международной конференции «Деформация и разрушение материалов». В 2-х томах. Т. 1. — М.: ИМЕТ РАН, 2006. С. 85 – 87.

11. Tumanov N. V. Mechanism of stable growth of fatigue cracks / Advances in mechanical behavior, plasticity and damage (Proc. EUROMAT 2000). In 2 volumes. Vol. 2 / Eds. D. Miannay, P. Costa, D. François, A. Pineau. — Elsevier, 2000. P. 1065 – 1070.

12. Туманов Н. В. Устойчивый рост усталостных трещин: микромеханизм и математическое моделирование / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. ¹ 11. С. 52 – 69. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-11-52-69

13. Grosskreutz J. C., Shaw G. G. Fine subgrain structure adjacent to fatigue cracks / Acta Metallurg. 1972. Vol. 20. N 4. P. 523 – 528.

14. Яковлева Т. Ю. Локальная пластическая деформация и усталость металлов. — Киев: Наукова думка, 2003. — 236 с.

15. Валиев Р. З., Александров И. В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. — М.: Логос, 2000. — 272 с.

16. Тюменцев А. Н., Коротаев А. Д., Диментберг И. А., Пинжин Ю. П., Чернов В. М. Закономерности пластической деформации в высокопрочных и нанокристаллических металлических материалах. — Новосибирск: Наука, 2018. — 296 с.

17. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1986. — 224 с.

18. Новиков И. И., Ермишкин В. А. Микромеханизмы разрушения металлов. — М.: Наука, 1991. — 368 с.

19. Штремель М. А. Разрушение. В 2-х кн. Кн. 2. Разрушение структур. — М.: Изд. Дом МИСиС, 2015. — 976 с.

20. Cook J., Gordon J. E. A mechanism for the control of crack propagation in all-brittle systems / Proc. Royal Soc. Ser. A. 1964. Vol. 282. N 1393. P. 508 – 520.

21. Туманов Н. В. Механизмы разрушения при однократном и циклическом нагружении / Тяжелое машиностроение. 2010. № 4. С. 21 – 25.

22. Туманов Н. В. Кинетическое уравнение устойчивого роста трещин малоцикловой усталости / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. № 5(47). Ч. 1. С. 20 – 28.

23. Туманов Н. В., Портер А. М., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А., Воробьева Н. А., Лешин Д. П. Многомасштабная комплексная фрактодиагностика дисков компрессора авиадвигателей / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2010. № 4(24). С. 98 – 112.

24. Туманов Н. В., Каримбаев К. Д., Серветник А. Н. Многоуровневое моделирование напряженного состояния диска турбины с трещинами и расчет коэффициентов интенсивности напряжений / Современные методы обеспечения прочностной надежности деталей авиационных двигателей / Под ред. Ю. А. Ножницкого, Б. Ф. Шорра, И. Н. Долгополова. — М.: ТОРУС ПРЕСС, 2010. С. 215 – 223.

25. Сачин В. М., Туманов Н. В., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А. Комплексная фрактодиагностика флаттера рабочего колеса вентилятора / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 3(27). Ч. 2. С. 185 – 194.

26. Туманов Н. В., Воробьева Н. А., Калашникова А. И., Калинин Д. М., Кожаринов Е. В. Комплексная фрактодиагностика авиационных конических зубчатых колес / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 2. С. 55 – 63. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-2-55-63

27. Туманов Н. В., Воробьева Н. А., Калашникова А. И., Кузьмин Е. П., Лаврентьева М. А., Серветник А. Н. Расчетное и фрактографическое исследования устойчивого роста трещин малоцикловой усталости в диске турбины авиадвигателя при сложных циклах нагружения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. ¹ 4. С. 52 – 60. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-4-52-60

28. Tumanov N. V. Fatigue and crack kinetics in aero engine fan blades under random vibration / Fatigue testing and analysis under variable amplitude loading conditions (ASTM STP 1439) / Eds. P. C. McKeighan and N. Ranganathan. — West Conshohocken, PA: ASTM International, 2005. P. 200 – 211.

29. Туманов Н. В., Воробьева Н. А., Митина Ю. А., Калашникова А. И. Влияние текстуры на кинетику трещин малоцикловой усталости в дисках авиадвигателей из титановых сплавов / Труды VI Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные представления в машиностроении». — М.: ИМАШ РАН, 2019. С. 406 – 408.

30. Туманов Н. В., Воробьева Н. А., Лаврентьева М. А., Митина Ю. Л. Оценка влияния кристаллографической мезотекстуры на ресурс живучести дисков авиадвигателей из титановых сплавов / Труды VI Международной научной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение». — М.: ИМАШ РАН, 2022. С. 374 – 377.

31. Метод дифракции отраженных электронов в материаловедении / Под ред. А. Шварца, М. Кумара, Б. Адамса, Д. Филда. — М.: Техносфера, 2014. — 544 с.