О циклической деградации судовой стали F500W, оцененной методами акустической эмиссии и корреляции цифровых изображений

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 ΣN_АЭ, среднюю активность сигналов акустической эмиссии b_АЭ-параметр, среднее значение угла нарастания RA, размеры слабо- и сильнодеформированной пластических зон (S_L, S_H). Обнаружено смещение максимума b_АЭ-параметра с увеличением относительной долговечности (N/N_f) в сторону меньшей деформации, связанное с более ранним переходом от накопления малых трещин к их слиянию, подтверждаемому дальнейшим снижением b_АЭ- и D-параметров. Установлено, что предварительное циклирование образцов стали F500W до числа циклов N/N_f , равного 0,4, 0,6, не приводит к существенным изменениям вида диаграмм деформации, остаточной прочности и работы разрушения, но увеличение этого числа до N/N_f = 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.

1. Qiao 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.2023.116090

2. Zhang 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.2025.121124

3. Chen 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.2023.110543

4. Shaposhnikov 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.2024.02.12

5. Филин 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: 10.22349/1994-6716-2019-98-2-136-153

6. Layus 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-z

7. 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.

8. 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)00030-2

9. 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.

10. 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.2018.04.034

11. Pan B. Recent progress in digital image correlation / Exp. Mech. 2011. Vol. 51. No. 7. P. 1223 – 1235. DOI: 10.1007/s11340-010-9418-3

12. Cox 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-a

13. 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)

14. 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/s11340-015-0009-1

15. Клевцов Г. В., Ботвина Л. Р. Микро- и макрозона пластической деформации как критерии предельного состояния материала при разрушении / Проблемы прочности. 1984. № 4. С. 24 – 28.

16. Ботвина 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-2019-16003

17. Козинкина А. И., Рыбакова Л. М. Учет особенностей кинетики разрушения при оценке надежности и долговечности конструкционных материалов / Вестник машиностроения. 2003. № 12. С. 27 – 29.

18. 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.

19. 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: 10.17073/0021-3438-2023-3-79-88

20. Ботвина 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/s0869573325024956

21. Синев 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.

22. Рыбакова Л. М. Механические закономерности деструкции металла при объемном и поверхностном пластическом деформировании / Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. № 5. С. 113 – 123.

23. 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.

24. Cui 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/ma15248717

25. Gutierrez-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.2011.07.009

26. Mahato 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.2014.12.015

27. Ботвина 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/s0869565218110087