Influence of additional cyclic effects on the equilibrium crack growth under quasistatic loading

Abstract


The questions of experimental study of the behavior of the aluminum alloy D16T depending on the loading conditions is discussed. It produces uniaxial loading of flat samples with previously germinated fatigue crack. Diagrams of deformation are shown. The tests carried out on servohydraulic testing machine Instron 8850. To measure the length of a crack digital microscope Dino-Lite Dicital Microscope AM4013MTL Series is used. It is suggested that the influence of the additional cyclical effects on the mechanical behavior of aluminum alloy D16T under quasistatic loading and its experimental verification is produced.

Full Text

Для обеспечения долговечности конструкций актуальным является исследование закономерностей роста дефектов в них, в частности трещин. Экспериментальные исследования характеристик роста трещин в твердых телах связаны с рядом технических трудностей. Важные методологические особенности экспериментальной механики разрушения твердых тел отражены, в частности, в работах [1-4]. Важным представляется изучение влияния различных факторов на характер роста трещин, например, на условия перехода от равновесного роста дефекта к динамическому разрушению [4]. Для проведения испытаний по исследованию особенностей роста трещин выбран тип образцов в соответствии с ГОСТ 25.506-85 «Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении». Эскиз образца представлен на рис. 1 [5]. Рис. 1. Эскиз образца для испытаний на трещиностойкость с длиной рабочей части 50 мм Два отверстия диаметром 4 мм созданы в образцах с целью крепления навесных призм, на которые ставится датчик раскрытия трещины. Пророщенные трещины выращивались в соответствии с требованиям ГОСТ 25.506-85 и ASTM E647-05 “Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates”. В ГОСТе требования регламентируются следующим образом: разница между трещинами с одной и с другой стороны образца не более 10 % от длины наименьшей трещины. ASTM устанавливает следующие требования: измерения проводятся по осевой линии образца для двух трещин (для каждой трещины используется среднее по замерам с передней и с задней поверхности), и они не должны отличаться более чем на 0,025W, где W - ширина образца, равная 50 мм. В соответствии со стандартами были замерены и углы отклонения усталостной трещины от осевой линии, линии симметрии образца (таблица). Результаты испытаний серии с рабочей частью 50 мм по проращиванию трещины Номер образца 2l0, мм l0 R, мм l0 L, мм |l0 R - l0 L|, мм Допустимое значение |l0 R - l0 L| по ГОСТу Допустимое значение |l0 R - l0 L| по АSTM 1_50 23,734 11,658 12,076 0,418 1,1658 1,25 2_50 20,259 10,142 10,117 0,025 1,0117 1,25 3_50 20,255 10,147 10,108 0,039 1,0108 1,25 4_50 19,695 9,524 10,171 0,647 0,9524 1,25 5_50 21,588 10,912 10,676 0,236 1,0676 1,25 6_50 20,824 10,119 10,705 0,586 1,0119 1,25 7_50 19,518 9,832 9,686 0,146 0,9686 1,25 8_50 19,201 9,751 9,45 0,301 0,9450 1,25 Замер длины трещины выполнялся с использованием цифрового микроскопа Dino-Lite Dicital Microscope AM4013MTL Series. Для съемки производилась калибровка микроскопа. Снимок образца приведен на рис. 2. Рис. 2. Участок сгенерированного массива данных: 1 - без пульсации; 2 - с пульсацией После калибровки микроскопа определялись границы трещины и проводилось ее измерение. Образцы подготавливались для проверки предположения о влиянии дополнительных циклических воздействий на равновесный рост трещин. Предполагается, что циклические воздействия обеспечат более продолжительный равновесный рост трещин [6]. Для траектории кинематического нагружения с пульсациями был выбран синусоидальный вид, показанный на рис. 2. Из рисунка видно, что максимальные значения синусоиды совпадают с графиком линейной зависимости перемещений от времени при кинематическом нагружении. Результаты испытаний сравнивались с кинематическим нагружением без пульсации, в соответствии с длиной рабочей части образцов. Для образцов с длиной рабочей части 50 мм результаты представлены на рис. 3, 4. Частота нагружения во время испытаний соответствовала значению 16 Гц, а амплитуда изменения положения равнялась 0,015 мм. Рис. 3. Диаграмма нагружения образцов с длиной рабочей части 50 мм: 1 - без пульсации; 2 - с пульсацией Рис. 4. Зависимость величины смещения берегов трещины от времени для образцов с длиной рабочей части 50 мм: 1 - без пульсации; 2 - с пульсацией Следует отметить, скорость нагружения с пульсациями была несколько больше по сравнению с нагружением без пульсаций. Это связано со сложностью задания траектории нагружений с пульсацией. Из рис. 4 видно, что равновесный рост трещины при нагружении с дополнительными циклическими воздействиями наблюдается на большую длину, чем при нагружении без них. Это длина составила 7 % от всей величины раскрытия берегов трещины. Для образцов с длиной рабочей части 100 мм результаты представлены на рис. 5, 6. Рис. 5. Зависимость величины смещения берегов трещины от времени для образцов с длиной рабочей части 100 мм: 1 - без пульсации; 2 - с пульсацией Рис. 6. Диаграмма нагружения образцов с длиной рабочей части 100 мм: 1 - без пульсации; 2 - с пульсацией Как видно из рис. 5, разрушение образца происходит в несколько этапов. Равновесный рост трещины переходит в динамический рост, а затем снова фиксируется равновесный рост трещины. Эта особенность наблюдалась несколько раз за испытание. При уменьшении жесткости нагружающей системы число таких переходов уменьшается. Для образцов с длиной рабочей части 150 мм результаты представлены на рис. 7, 8. Подобным образом были проведены испытания для образцов с длиной рабочей части 200 и 300 мм. Рис. 7. Зависимость величины смещения берегов трещины от времени для образцов с длиной рабочей части 150 мм: 1 - без пульсации; 2 - с пульсацией Рис. 8. Диаграмма нагружения образцов с длиной рабочей части 150 мм: 1 - без пульсации; 2 - с пульсацией Таким образом, дополнительные циклические воздействия оказывают стабилизирующее влияние на характер роста трещины при высокой жесткости нагружающей системы. Это отражается в увеличении равновесного роста трещин.

About the authors

P. S. Bazhukov

Perm National Research Polytechnic University

V. E. Vil'deman

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Основы экспериментальной механики разрушения / И.М. Керштейн, В.Д. Клюшников, Е.В. Ломакин, С.А. Шестериков. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. - 140 с.
  2. Чаусов Н.Г. Полная диаграмма деформирования как источник информации о кинетике накопления повреждений и трещиностойкости материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - Т. 70, № 7. - С. 42-49.
  3. Слепян Л.И. Механика трещин. - Л.: Судостроение, 1981. - 295 с.
  4. Вильдеман В.Э., Третьякова Т.В., Лобанов Д.С. Учет жесткости нагружающей систем при испытании полунатурных образцов крупноячеистого композиционного материала // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2012. - № 2. - С. 34-49.
  5. Влияние жесткости нагружающей системы на равновесный рост трещин при квазистатическом нагружении / П.С. Бажуков, В.Э. Вильдеман, А.В. Ильиных, М.П. Третьяков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2013. - № 2. - С. 7-20.
  6. Экспериментальные исследования свойств материалов при сложных термомеханических воздействиях / В.Э. Вильдеман, М.П. Третьяков, Т.В. Третьякова, Р.В. Бульбович, С.В. Словиков, А.В. Бабушкин, А.В. Ильиных, Д.С. Лобанов, А.В. Ипатова; под ред. В.Э. Вильдемана. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. - 212 с.

Statistics

Views

Abstract - 14

PDF (Russian) - 10

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies