Устойчивый рост усталостных трещин: микромеханизм и математическое моделирование

Выявлен универсальный высокоэнергоемкий микромеханизм периодического расслаивания-разрыва (МПРР), который действует на фронте усталостной трещины в металлических материалах, обеспечивая ее устойчивый рост, формируя Т-образную вершину и бороздчатый микрорельеф поверхности разрушения. МПРР детерминирован критической (предшествующей разрушению) фрагментированной структурой, формирующейся в расположенной на пути распространения трещины области, в которой материал подвергается многократной возрастающей (по мере приближения фронта трещины) пластической деформации. На эту универсальную структуру предразрушения выходят на последнем этапе своей эволюции деформационные структуры перед фронтом усталостной трещины на стадии ее устойчивого роста в металлических материалах с различным исходным структурным состоянием, что приводит к универсальности МПРР и усталостных бороздок. Последние являются следами продвижения в каждом цикле нагружения фронта трещины с Т-образной вершиной, которая образуется в процессе хрупкого поперечного микрорасслаивания вдоль перенапряженных границ критической фрагментированной структуры. На основе конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния перед фронтом трещин с Т-образной вершиной установлено, что величина и местоположение максимума нормированных напряжений, действующих перед фронтом трещины (в ее плоскости по нормали к фронту), близки или совпадают для трещин различной конфигурации при разных типах растягивающей нагрузки при условии, что расслоение в Т-образной вершине трещины существенно (на три-четыре порядка) меньше ее длины. С учетом МПРР и асимптотических соотношений, характеризующих напряженное состояние перед фронтом трещин с Т-образной вершиной, разработаны физически обоснованная математическая модель и методы прогнозирования устойчивого роста усталостных трещин в натурных деталях при простых и сложных циклах нагружения.

1. Расчеты и испытания на прочность. Метод оценки сопротивления металлических материалов усталостному разрушению по шагу усталостных бороздок. МР 189-86. — М.: ВНИИН-МАШ, 1986. — 36 с.

2. Ромвари П., Тот Л., Надь Д. Анализ закономерностей распространения усталостных трещин в металлах / Проблемы прочности. 1980. № 12. С. 18 - 28.

3. Paris P, Erdogan F. A critical analysis of crack propagation laws / Journal of Basic Engineering (Trans. ASME). 1963. N 12. P 528 - 534.

4. Ножницкий Ю. А., Туманов H. В., Черкасова С. А., Лаврентьева М. А. Фрактографические методы определения остаточного ресурса дисков авиационных газотурбинных двигателей / Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2011. Т. 16. № 4(44). С. 39 - 45.

5. Романив О. Н., Ярема С. Я., Никифорчин Г. Н., Маху-тов 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. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1986. — 224 с.

7. Рыбин В. В. Структурно-кинетические аспекты физики развитой пластической деформации / Известия вузов. Физика. 1991. № 3. С. 7 - 22.

8. Laird C., Smith G. C. Crack propagation in high stress fatigue / Philosophical Magazine. 1962. Vol. 7. N 77. P 847 - 857.

9. Pelloux R. M. N. Mechanisms of formation of ductile fatigue striations / Trans. ASM. 1969. Vol. 62. N 1. P. 281 - 285.

10. Bowles C. Q., Broek D. On the formation of fatigue striations / Int. Journal of Fracture Mechanics. 1972. Vol. 8. N 1. P. 75 - 85.

11. Neumann P. New experiments concerning the slip process at propagating fatigue cracks / Acta Metallurgica. 1974. Vol. 22. P. 1155-1165.

12. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения. — Киев: Наукова думка, 1978. — 352 с.

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

14. Schijve J. Fatigue of structures and materials. — Springer, 2009. — 621 p.

15. Pokluda J., Sandera P. Micromechanisms of fracture and fatigue. — Springer, 2010. — 293 p.

16. Шанявский А. А. Масштабные уровни процессов усталости металлов / Физическая мезомеханика. 2014. Т. 17. № 6. С. 87 - 98.

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

18. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. В 2-х частях. Часть I. Деформация и разрушение. — М.: Машиностроение, 1974. — 472 с.

19. Гордеева Т. А., Жегина М. П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. — М.: Машиностроение, 1978. — 200 с.

20. Энгель Л., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение. Справочник. — М.: Металлургия, 1986. — 232 с.

21. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов. — М.: Металлургия, 1990. — 623 с.

22. Энциклопедический словарь по металлургии. В 2-х томах / Под ред. Н. П. Лякишева. Т. 1. — М.: Интермет Инжиниринг, 2000. — 412 с.

23. Клевцов Г. В., Ботвина Л. Р., Клевцова Н. А., Ли-марь Л. В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. — М.: МИСиС, 2007. — 264 с.

24. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. — М.: Мир, 1979. — 512 с.

25. Гапонов-Грехов А. В., Рабинович М. И. Автоструктуры. Хаотическая динамика ансамблей / Нелинейные волны. Структуры и бифуркации. — М.: Наука, 1987. С. 7 - 44.

26. Золотаревский Н. Ю., Рыбин В. В. Материаловедение. Фрагментация и текстурообразование при деформации металлических материалов. — М.: Издательство Юрайт, 2018. — 207 с.

27. Инденбом В. Л., Орлов А. Н. Физика прочности сегодня / Физика металлов и металловедение. 1992. № 4. С. 4 - 7.

28. Grosskreutz J. C. The mechanisms of metal fatigue (II) / Physica Status Solidi (b). 1971. Vol. 47. N2.P 359 - 396.

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

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

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

32. Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Основания синергетики. — СПб.: Алетейа, 2002. — 414 с.

33. Langford. G., Cohen M. Strain hardening of iron by severe plastic deformation / Trans. ASM. 1969. Vol. 62. N 3. P 623 -638.

34. Лихачев В. А., Никонов Ю. А., Петрова Т. Г., Пономарев А. П. Прочность холоднодеформированного сплава Mo - Re / Проблемы прочности. 1977. № 3. С. 99 - 101.

35. Трефилов В. И., Мильман Ю. В., Фирстов С. А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. — Киев: Наукова думка, 1975. — 315 с.

36. 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.

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

38. Murakami Y, Shiraishi N., Furukawa K. Estimation of service loading from the width and height of fatigue striations of 2017-T4 Al alloy / Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 1991. Vol. 14. N 11. P. 897 - 906.

39. Bowles C. Q., Schijve J. Crack tip geometry for fatigue cracks grown in air and vacuum / Fatigue Mechanisms. Advances in Quantitative Measurement of Physical Damage. — ASTM STP 811, 1983. P 400-426.

40. Ботвина Л. P. Основные понятия и определения. Макро- и микростроение изломов / Машиностроение: Энциклопедия в 40 томах. Т. II-1. Физико-механические свойства. Испытания механических материалов. — М.: Машиностроение, 2010. С. 746 - 758.

41. Лимарь Л. В. Фрактодиагностика авиационных деталей из титановых сплавов. — Верхняя Салда: ОАО «Корпорация «ВСМПО-АВИСМА», 2011. — 157 с.

42. Толковый словарь русского языка. В 4-х томах / Под ред. Д. Н. Ушакова. Т. 1. — М.: Терра, 1996. — 824 с.

43. Туманов Н. В., Лаврентьева М. А. Фундаментальные и прикладные аспекты кинетики усталостных трещин / Труды Второй международной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». — М.: ИМАШ РАН, 2012. С. 442 - 448.

44. Штремель М. А. Разрушение. В 2-х кн. Кн. 1. Разрушение материала. — М.: Изд. Дом МИСиС, 2014. — 670 с.

45. Сиратори М., Миёси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. — М.: Мир, 1986. — 334 с.

46. He M. Y., Heredia F. E., Wissuchek D. J., Shaw M. C., Evans A. G. The mechanism of crack growth in layered materials / Acta Metall. Mater. 1993. Vol. 41. N 4. P. 1223 - 1228.

47. Туманов H. В., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А. Реконструкция и прогнозирование развития усталостных трещин в дисках авиационных газотурбинных двигателей / Конверсия в машиностроении. 2005. № 4 - 5. С. 98 - 106.

48. Кан P. У. Становление материаловедения. — Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 2011. — 619 с.

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

50. Матохнюк Л. Е., Яковлева Т. Ю. Влияние частоты нагружения на закономерности и микромеханизмы роста усталостных трещин в титановых сплавах / Проблемы прочности. 1988. № 1. С. 21 - 31.

51. Bates R. C., Clark W. G. Fractography and fracture mechanics / Trans. ASM. 1969. Vol. 62. N2.P 380 - 389.

52. Erdogan F., Sih G. C. On the crack extension in plates under plane loading and transverse shear / Journal of Basic Engineering. 1963. N 12. P 519 - 525.

53. Черепанов Г. П. Механика разрушения. — М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2012. — 872 с.

54. Faidiga G., Zalosnik B. Determining a kink angle of a crack in mixed mode fracture using maximum energy release rate, SED and MTS criteria / Journal of Multidisciplinary Engineering and Technology. 2015. Vol. 2. Issue 1. P 356 - 362.

55. Морозов Е. М. Механика разрушения тел с трещинами / Машиностроение: Энциклопедия в 40 томах. Т. I-3. В 2-х кн. Кн. 1. Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин. — М.: Машиностроение, 1994. С. 142 - 164.

56. Туманов Н. В., Черкасова С. А., Лаврентьева М. А., Воробьева Н. А. Исследование механизмов развития трещин малоцикловой усталости в дисках авиадвигателей в условиях эксплуатации и оценка остаточной долговечности дисков / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 3(27). Ч. 2. С. 175 - 184.