Исследование распределений локальных упругих и пластических деформаций при разрушении образца с повреждением

Проведен анализ экспериментальных данных, полученных в процессе разрушения образца из стали 17Г1С с предварительно нанесенным повреждением (продир по ширине образца). Процесс нагружения контролировали с помощью тепловизора MicroScan 7600 PRO с фиксацией термограмм в зонах повышения температуры, т.е. в области разрушения (месте предварительно нанесенного повреждения). Повышение температуры образца связано с термопластическим эффектом в областях пластических деформаций. Особенности локализации деформации исследовали с помощью статистических характеристик, оценки связности Минковского, кластеризации теплового поля и определения средних значений температуры по длине образца. Анализ термограмм, полученных в процессе нагружения образца, показал, что при упругой деформации происходит перераспределение ее локальных уровней в начальной стадии без увеличения коэффициента вариации. Перед возникновением пластических деформаций коэффициент вариации несколько снижается, т.е. уменьшается неравномерность в распределении локальных упругих деформаций. В дальнейшем при повышении уровня пластических деформаций их локализация увеличивается в зоне нанесенного повреждения. Кластерный анализ позволил заключить, что по мере увеличения нагрузки температурное поле меняет свой характер. Количество уровней, в которых определяются кластеры, изменяется. При этом на каждом уровне меняется число кластеров. Становятся иными и статистические характеристики локального распределения деформаций: как правило, растут коэффициент вариации и среднеквадратическое отклонение. При увеличении нагрузки меняется вид плотности распределения локальных деформаций. Если в упругой области нагружения образца распределение одномодальное, то в пластической области оно имеет более сложный вид — увеличивается модальность распределения температур (деформаций) при образовании трещины. В этом случае распределение — трехмодальное. Присутствуют области распределения, соответствующие упругой зоне деформаций и двум зонам пластической деформации. Среднее распределение соответствует зоне появления трещины, где в области разрушения образец имеет меньшую температуру.

1. Кенжалиев Б. К., Черноглазова Т. В., Мофа Н. Н. и др. Локализация пластической деформации и неравновесные структурно-деформационные превращения. Избранные труды. — Алматы, ИМиО РК, изд-во «Комплекс», 2004. — 271 с. DOI: 10.31643/2004-2019.008

2. Нестерук Д. А., Вавилов В. П. Тепловой контроль и диагностика: Учебное пособие для подготовки специалистов I, II, III уровня. — Томск: Изд-во ТПУ, 2007. — 104 с.

3. Мойсейчик А. Е., Мойсейчик Е. А. Основы теплового контроля несущих конструкций с использованием деформационного теплообразования / Неразрушающий контроль и диагностика. 2014. ¹ 3. С. 3 – 19.

4. Rajic N., Rowlands D. Thermoelastic stress analysis with a compact low-cost microbolometer system / Quantitative InfraRed Thermogr. J. 2013. Vol. 10. No. 2. P. 135 – 158. DOI: 10.1080/17686733.2013.800688

5. Коваленко А. Д. Основы термоупругости. — Киев: Наукова думка, 1970. — 308 с.

6. Galietti U., Palumbo D. Thermoelastic stress analysis of titanium components and simultaneous assessment of residual stress / Politecnico di Bari, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Gestionale, Viale Japigia 182, Bari, Italy. 2010. DOI: 10.21611/qirt.2010.043

7. Pieczyska E., Gadaj S., Nowacki W. Thermoelastic and thermoplastic effects during loading and unloading of an austenitic steel / Quantitative Infrared Thermography Conference — QIRT’98: Łódź, Poland. January 1998. DOI: 10.21611/qirt.1998.017

8. Robinson A., Dulieu-Barton J., Quinn S., et al. A review of residual stress analysis using thermoelastic techniques / 7th Int. Conf. on Modern Practice in Stress and Vibration Analysis / J. Phys. Conf. Ser. 2009. No. 181(1). 012029. DOI: 10.1088/1742-6596/181/1/012029

9. Shiozawa D., Sakagami T., Nakamura Y., et al. Fatigue damage evaluation of short carbon fiber reinforced plastics based on phase information of thermoelastic temperature change / Sensors. 2017. No. 17. P. 1 – 9. DOI: 10.3390/s17122824

10. Фомин А. В., Михалев Ю. К. Расчетно-экспериментальные методы в системах оперативной диагностики термонапряженности элементов машин и конструкций / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2007. № 3. С. 97 – 104.

11. Самодуров А. А., Дивин А. Г., Головин Ю. И. и др. Динамические термографические методы неразрушающего экспресс-контроля. — Москва: Техносфера, 2019. — 214 с.

12. Pastukhov A. G., Timashov E. P., Parnikova T. V. Monitoring of reliability of agricultural machinery on the basis of methods of thermodiagnostics of drive lines / Trakt. Pogon. Mašine. 2017. Nos. 1 – 2. P. 31 – 38.

13. Pastukhov A. G., Timashov E. P. Analytical model of temperature condition elementary interface of the cardan joint / Trakt. Pogon. Mašine. 2018. Nos. 1 – 2. P. 43 – 50.

14. Pastukhov A., Timashov E., Parnikova T., Kravchenko I. Thermometric diagnostics of elements of reaper drive for sunflower harvesting / Eng. Rural Devel. 2021. No. 20. P. 43 – 48. DOI: 10.22616/erdev.2021.20.tf008

15. Szurgacz D., Zhironkin S., Vöth S., et al. Thermal imaging study to determine the operational condition of a conveyor belt drive system structure / Energies. 2021. No. 14. P. 32 – 58. DOI: 10.3390/en14113258

16. Jakubek B., Grochalski K., Rukat W., Sokol H. Thermovision measurements of rolling bearings / Measurement. 2021. P. 1 – 25. DOI: 10.1016/j.measurement.2021.110512

17. Гринчук П. С., Стетюкевич Н. И., Шевцов В. Ф. Термодиагностика качества теплоизоляции производственного нагревательного оборудования / Неразрушающий контроль и диагностика. 2014. № 4. С. 38 – 43.

18. Куриленко Г. А. Исследование повреждаемости металлов термодинамическим способом / Известия Томского политехнического университета. 2015. Т. 326. № 3. С. 105 – 109.

19. Славгородская А. В., Молокова К. А., Богаевский А. И., Славгородский В. М. Методика прогнозирования устойчивости поврежденной конструкции по данным термодиагностики / Вестник инженерной школы ДВФУ. 2012. № 1. С. 35 – 39.

20. Руководство пользователя Gwyddion. Фрактальный анализ. Процитировано 28 мая 2025. Доступно: http://gwyddion.net/ documentation/user-guide-ru/fractal-analysis.html#fractal-dimension