Full Text

Для обеспечения живучести конструкций необходимо 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, в частности на условия перехода от равновесного роста дефекта к динамическому разрушению. В данной работе рассматривается влияние режимов нагружения и нагружающей системы на равновесный рост трещин. Важность понятия «нагружающая система» с точки зрения исследования процессов деформирования и разрушения была отмечена в [5, 6]. При этом в ряде работ отмечена ключевая роль нагружающей системы в переходе от стадии равновесного накопления повреждений к неравновесной, лавинообразной стадии [7–10]. Сопротивление разрушению на закритической стадии деформирования, соответствующей ниспадающей ветви диаграммы деформирования, зависит от жесткости нагружающей системы [11]. Процессы структурного разрушения и трещинообразования отражаются на диаграмме деформирования, приводя к ее нелинейности, а на заключительной стадии являются причиной разупрочнения [12, 13]. Экспериментальные исследования зависимости предельных состояний от жесткости нагружающей системы, а также экспериментальные данные о механизмах развития трещин в частности, описаны в [14]. 1. Особенности роста трещины при кинематическом и силовом нагружениях 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. Необходимо отметить, что для дальнейших испытаний длина рабочей части образца менялась. В испытаниях использовались образцы с рабочей частью 50,100, 150, 200 и 300 мм и, как следствие, менялась общая длина образца 130, 180, 230, 280 и 380 мм. Два отверстия диаметром 4 мм созданы в образцах с целью крепления навесных призм, на которые ставится датчик раскрытия трещины. Для определения стартовой нагрузки при проращивании исходной усталостной трещины проведены испытания образцов на растяжение в соответствии с ГОСТ 1497–84 «Металлы. Методы испытаний на растяжения». Рис. 1. Образец для испытаний на трещиностойкость с длиной рабочей части 50 мм Испытания проведены на электромеханической системе INSTRON 5882. Эскиз образцов на растяжение представлен на рис. 2. Рис. 2. Образец для испытаний на растяжение Диаграмма деформирования представлена на рис. 3, где ε – деформация, определенная с использованием навесного экстензометра INSTRON 2620-603. Рис. 3. Диаграмма деформирования при испытании плоских образцов В результате испытаний определены условный предел текучести и предел прочности для исследуемого материала: 393 МПа и 453 МПа соответственно. Половина условного предела текучести в соответствии с ГОСТ 25.506–85 определяет нагрузку для инициации роста исходной усталостной трещины. Проращивание трещины делилось на три этапа, при переменном растяжении с коэффициентом асимметрии цикла R = 0,1. С каждым этапом коэффициент интенсивности напряжений уменьшался. Результаты испытаний серии с рабочей частью 100 мм приведены в таблице, где 2l0 – общая длина трещины, l0 R, l0 L – длины трещин с каждой стороны от концентратора. Пророщенные трещины соответствуют 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 0,025 W, где W = 50 мм, ширина образца. В соответствии со стандартами были замерены и углы отклонения усталостной трещины от осевой линии, линии симметрии образца, По требованиям ГОСТа угол не должен превышать 10° от горизонтальной линии симметрии образца, а по требованиям АSTM не более 20° на длине трещины 0,001 W. Результаты испытаний серии с рабочей частью 100 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_100 23,734 11,658 12,076 0,418 1,1658 1,25 2_100 20,259 10,142 10,117 0,025 1,0117 1,25 3_100 20,255 10,147 10,108 0,039 1,0108 1,25 4_100 19,695 9,524 10,171 0,647 0,9524 1,25 5_100 21,588 10,912 10,676 0,236 1,0676 1,25 6_100 20,824 10,119 10,705 0,586 1,0119 1,25 7_100 19,518 9,832 9,686 0,146 0,9686 1,25 8_100 19,201 9,751 9,45 0,301 0,9450 1,25 Измерения производились и для образцов других серий. Замер длины трещины производился с использованием цифрового микроскопа Dino-Lite Dicital Microscope AM4013MTL Series, который имеет функцию съемки при увеличении. Для съемки производилась калибровка микроскопа. Снимок образца приведен на рис. 4. Рис. 4. Исходная усталостная трещина образцов с длиной рабочей части 100 мм После калибровки микроскопа производилось оптическое определение границ трещины, затем строился отрезок для определения длины трещины. 2. Результаты экспериментов Испытания проведены на двухосевой сервогидравлической испытательной системе INSTRON 8850. Для задания программы испытаний использовалось программное обеспечение WaveMatrix. Задавалась программа одноосного растяжения. В зависимости от длины рабочей зоны скорость нагружения изменялась и составила для серии 100 мм 0,1 мм/мин; для серии 50 мм 0,05 мм/мин. Регистрация удлинений на поверхности рабочей части образцов осуществлялась с помощью датчика раскрытия трещины INSTRON 2670-122, который закреплялся на образце с помощью навесных призм. Установленный в испытательной машине образец с закрепленным экстензометром представлен на рис. 5. Рис. 5. Образец, установленный в захватах, и закрепленный на нем экстензометр В результате экспериментов получены диаграммы при силовом и кинематическом нагружении, которые представленны на рис. 6–9. Здесь ν – смещение берегов надрезов образца на основании показаний экстензометра. Рис. 6. Диаграмма силового нагружения образца с длиной рабочей части 100 мм Рис. 7. Диаграмма кинематического нагружения образца с длиной рабочей части 100 мм Как видно из рис. 6, 7, при кинематическом нагружении удается построить более полную диаграмму деформирования, чем при силовом, однако на ней находятся срывы, резкие и неконтролируемые падения нагрузки на определенное значение. Заметим, что нагрузка в этот момент линейно зависит от перемещения. На рис. 7 они видны при нагрузке, равной 16 кН, которой соответствует точка 1 на диаграмме, 13, 11 и 3 кН – это соответственно точки 2, 3 и 4. После срывов происходило накопление энергии для дальнейшего роста трещины. Когда необходимая энергия накапливалась, трещина прорастала на определенное значение, что повторялось несколько раз вплоть до разрушения образца Диаграмма на рис. 6 обрывается в наивысшей точке при нулевой жесткости нагружающей системы, то есть при «мягком» (силовом) нагружении [11]. Каждая точка на ниспадающей ветви может соответствовать моменту потери несущей способности в зависимости от условий нагружения. Потеря несущей способности представляет собой переход от стабильной к неравновесной стадии процесса структурного разрушения на закритической стадии. С целью получения результатов для сравнения с образцами с длиной рабочей части 100 мм силовому и кинематическому нагружению подверглись два образца с длиной рабочей части 50 мм. Рис. 8. Диаграммы растяжения: 1 – диаграмма кинематического нагружения образца с длиной рабочей части 50 мм; 2 – диаграмма силового нагружения образца с длиной рабочей части 50 мм Точками на диаграмме отмечены моменты, связанные с переходом к динамическому разрушению. Как видно из рис. 8, для образцов с длиной рабочей части 50 мм первый срыв на диаграмме происходит несколько позднее, число срывов гораздо выше, а падение нагрузки при этом значительно меньшее по сравнению с образцом с длиной рабочей части 100 мм. 3. Влияние жесткости нагружающей системы на равновесный характер роста трещины Как уже говорилось, для проведения испытаний по исследованию влияния жесткости нагружающей системы выбраны различные длины рабочей части (см. рис. 9). В зависимости от длины рабочей части образца скорость нагружения меняется и составляет для базы 100 мм 0,1 мм/мин; для базы 50 мм 0,05 мм/мин; для базы 150 мм 0,15 мм/мин; для базы 200 мм 0,2 мм/мин; для базы 300 мм 0,3 мм/мин. Каждая из 5 диаграмм строилась до тех пор, пока шел равновесный рост трещины. Кривые 2–5 приведены со смещением равным 0,4 мм. Следует отметить, и это видно по рис. 9, что чем больше длина рабочей части образца, тем раньше происходит обрыв диаграммы, в этой точке заканчивается равновесный рост трещины. Точками на диаграмме (рис. 10) показаны моменты завершения равновесного роста трещины, соответствующие конечным точкам диаграмм на рис. 9. На графиках видно, что чем больше длина рабочей части, тем раньше происходит прекращение равновесного роста трещины. Рис. 9. Диаграммы растяжения для образцов с различной длиной рабочей части: 1 – 300 мм; 2 – 200 мм; 3 – 150 мм; 4 – 100 мм; 5 – 50 мм t, °C Рис. 10. Зависимость смещения берегов надрезов образца от времени: 1 – образец с длиной рабочей части 300 мм; 2 – 200 мм; 3 – 150 мм, 4 – 100 мм; 5 – 50 мм На основе полученных экспериментальных данных для алюминиевого сплава Д16Т можно сделать вывод, что при испытаниях на квазистатичекое растяжение образцов с предварительно выращенной трещиной жесткость нагружающей системы оказывает значительное влияние на её равновесный рост, что отражается в большем значении величины раскрытия трещины к моменту разрушения при повышении жесткости нагружающей системы. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (13-08-00304-а), в рамках исполнения государственного задания Министерства образования и науки РФ высшим учебным заведениям (шифр проекта 1.3166.2011).

About the authors

Pavel Sergeevich Bazhukov

Perm National Research Polytechnic University

Email: Bazhukov@yandex.com
29, Komsomolskiy av., 614990, Perm, Russian Federation student of the mechanics of composite materials and construction of the Perm National Research Polytechnic University

Valery Ervinovich Vildeman

Perm National Research Polytechnic University

Email: wildemann@pstu.ru
29, Komsomolskiy av., 614990, Perm, Russian Federation Director of the Center for Experimental Mechanics, professor of mechanics of composite materials and structures, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Perm National Research Polytechnic University

Artem Valerevich Ilinyh

Perm National Research Polytechnic University

Email: ilinih@yandex.com
29, Komsomolskiy av., 614990, Perm, Russian Federation Ph.D. in Technical Sciences, Lektor, Department of Mechanics of Composite Materials and Structures, Perm National Research Polytechnic University

Mikhail Pavlovich Tretyakov

Perm National Research Polytechnic University

Email: cem_tretyakov@mail.ru
29, Komsomolskiy av., 614990, Perm, Russian Federation Junior Scientific Associate and Engineer of the Center of Experimental Mechanics of Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 149

PDF (Russian) - 87