CC BY
0Группа научных специальностей:
Математика и механика Шифр научной специальности:
1.1.8
УДК 539.375.6
МИХЕЕВСКИЙ Евгений Владимирович,
Старший преподаватель, Воркутинский филиал Ухтинского государственного технического университета, e-mail: [email protected]
МИХЕЕВСКАЯ Марина Александровна,
Доцент, к.т.н., Ухтинский государственный технический университет, e-mail: [email protected]
ИСПЫТАНИЕ ОБРАЗЦОВ С КРАЕВОЙ ТРЕЩИНОЙ
ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ МНОГОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
АННОТАЦИЯ. Анализируется деформация и разрушение алюминиевого и титанового сплавов при нестационарном многоцикловом нагружении симметричным трехточечным изгибом, при котором нагрузка постепенно увеличивается или уменьшается.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: механика деформируемого твердого тела, усталостное разрушение, трещина, многоцикловое нагружение, испытания, напряжение.
MIKHEEVSKY Evgeny Vladimirovich,
Senior Lecturer,
Vorkuta branch of the Ukhta State Technical University
MIKHEEVSKAYA Marina Alexandrovna,
Associate Professor, Ph.D., Ukhta State Technical University
TESTING OF SAMPLES WITH EDGE CRACK AT TRANSIENT MULTI-CYCLE LOADING
ANNOTATION. The deformation and destruction of aluminum and titanium alloys under nonstation-ary multi-cycle loading by a symmetrical three-point bend in which the load gradually increases or decreases is analyzed.
KEY WORDS: mechanics of deformable solids, fatigue failure, crack, multi-cycle loading, testing, stress.
Отличительной особенностью микрорельефа усталостного разрушения металлических деталей является наличие усталостных канавок, перпендикулярных направлению распространения трещины. Предполагается, что после каждого цикла нагружения образуется новая канавка [1]. Но существуют и другие точки зрения, согласно которым новая канавка может формироваться не только после каждого цикла нагружения, но и после нескольких циклов [2, 3]. Поэтому представляется целесообразным связать образование усталостных канавок с циклическим распространением вершины трещины и организовать регистрацию остаточных прогибов балки в случае трехточечного изгиба, при кото-
ром нагрузка соответствует малоцикловой усталости.
Известно, что новая канавка может образоваться после нескольких циклов нагружения, поскольку усталостная трещина останавливается после каждого продвижения ее вершины в модели Лэрда-Смита, в то время как при каждом цикле нагружения происходит охрупчивание материала в области предварительного разрушения. Модели многоциклового нагружения, предложенные в работах [1, 4], в значительной степени основаны на подходах линейной механики разрушения, в то время как нелинейность материала возникает только в области предварительного разрушения.
ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ I III II II III 11 II III 11 III II II III II II III 11 III IIII III 11IIII111 III 1111II111IIII111II11111II111IIII111IIII111II111IIII111IIII11 III 111IIII11 III I
Для того чтобы проанализировать накопление повреждений в области предварительного разрушения и выявить механизм распространения усталостной трещины при нестационарном многоцикловом нагружении, были проведены
серии экспериментов по симметричному трехточечному изгибу образцов балки с имитацией начальной трещины, представляющей собой поперечный разрез, расположенный на нижней стороне балки под точкой приложения усилия (рис. 1).
Рисунок 1. Геометрические данные образца
Предварительно для образцов из этих материалов были проведены стандартные испытания на одноосное растяжение для получения их а-е-диаграмм. При циклических испытаниях образцы испытывались при двух типах нестационарного нагружения как со ступенчатым увеличением, так и со ступенчатым уменьшением максимального значения приложенного усилия [5].
На рис. 2 представлены экспериментальные кривые, отражающие зависимость отклонения ^ от приложенной силы Р при многоцикловых испытаниях образцов, изготовленных из алюминия и титана.
Опишем результаты эксперимента. В случае нестационарного многоциклового нагружения
а
сплава, в условиях увеличения максимального значения приложенной силы Р (рис. 2а), остаточный прогиб увеличивается нелинейно. На каждом шаге первый цикл имеет максимальное значение до (разница между максимальными отклонениями для текущего и предыдущих циклов), которое затем уменьшается, и накопление повреждений стабилизируется. Также наблюдается нелинейное увеличение ф (количество, накопленное на одном этапе нагружения) от шага к шагу. После перехода к следующему этапу (усилие Р увеличивается на 20 Н) образец становится заметно прочнее, что приводит к большему увеличению прогиба.
Рисунок2. Экспериментальные кривые
■ I ■ ■ I ■ 11111 ■ ■ ■ ■ ■ ■ 111111 ■ I ■ ■ I ■ 11111 ■ I ■ ■ I ■ 11111 ■ ■ ■ ■ 11111111 ■ ■ ■ ■ I ■ 11111 ■ I ■ ■ I ■ 11111 ■ ■ ■ ■ 11111111 ■ ■ ■ ■ I ■ 11111 ■ I ■ ■ I ■ 11111 ■ ■ ■ ■ 11111111 ■ ■ ■ ■ 1111111 ■ I ■ ■ I ■ 11111 ■ ■
На последнем этапе, на котором и усилие, и деформация, накопленные в образце, велики, первоначальная стабилизация заменяется обратным процессом, и образец разрушается после нескольких циклов с увеличением Sc. Начальные состояния зоны разрыва при однократной и циклической нагрузках близки друг к другу. Разрушение начинается примерно при одинаковом значении накопленной деформации при совершенно разных способах нагружения и значениях приложенного усилия.
При малоцикловом нагружении в условиях уменьшения максимального значения приложенного усилия P (рис. 2б) после первого нагружения с приложенным усилием, близким к пределу прочности образца, можно наблюдать процесс, обратный стабилизации накопления повреждений. После первого уменьшения силы P значение ôc на первом шаге невелико, но затем оно начинает увеличиваться со скоростью, увеличивающейся от шага к шагу, и, следовательно, значение ôp увеличивается на каждом шаге, хотя наблюдается уменьшение приложенной силы P.
Начальное состояние зоны разрыва для однократной и циклической нагрузок близко друг к другу. Также интересно отметить следующий факт. По мере уменьшения начальной перегрузки описанный выше эффект лавинообразного увеличения исчезает. Каждое последующее уменьшение приложенного усилия приводит к заметному уменьшению остаточного прогиба, накопленного за ступеньку, но если вернуться к исходной нагрузке, то наблюдается резкое увеличение прогиба наряду с упрочнением материала. Это показывает, что по мере уменьшения усилия Р процесс накопления повреждений продолжается, что не оказывает существенного влияния на
остаточный прогиб, но в конечном итоге приводит к размягчению материала и проявляется при увеличении нагрузки. Другими словами, по мере уменьшения нагрузки продолжается формирование области предварительного разрушения перед вершиной усталостной трещины. В этом случае конечный накопленный остаточный прогиб приблизительно равно прогибу, который образовался бы, если бы нагрузка продолжалась при первоначальном значении приложенного усилия P. Повторное уменьшение и дальнейшее увеличение приложенного усилия приводят к большему размягчению и более быстрому разрушению образца.
Таким образом, анализ экспериментальных данных для титанового сплава и сравнение этих данных с результатами, полученными для алюминия, показывают, что существуют существенные различия в поведении этих материалов в условиях нестационарного многоциклового нагруже-ния. Накопление повреждений в области предварительного разрушения связано с остаточным прогибом балок после снятия нагрузки. В экспериментах после каждого цикла разгрузки остаточный прогиб балки характеризует как распространение вершины усталостной трещины, так и развитие области предварительного разрушения.
Рассмотренные выше условия нагружения с постепенным добавлением нагрузки и с уменьшением нагрузки, соответственно, моделируют оптимальную ситуацию и катастрофическую перегрузку при циклическом нагружении. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования срока службы конструкций с трещиной, а также для анализа и прогнозирования катастрофических ситуаций после перегрузки.
Список литературы:
[1] Шилов, М. А. Физика прочности и механика разрушения: учебное пособие для вузов / М. А. Шилов. - Москва: Издательство Юрайт, 2023. - 175 с.
[2] Саиян, С. Г. Разработка методики оценки усталостных повреждений и распространения трещин на примере расчета перфорированной балки при многоцикловых нагружениях- Москва: Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, 2019. - С. 524528.
[3] Абакумов, А. И. Сафронов И.И. Численная модель макровязкого разрушения современных сталей магистральных газопроводов. Проблемы прочности и пластичности, 2017. - С. 301-311.
[4] Сундер, Р. Влияние последовательности эксплуатационных нагрузок на долговечность металлических материалов / Р. Сундер // Деформация и разрушение материалов. - 2015. - № 5. - С. 8-16.
[5] ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении [электронный ресурс], Справочно-правовая система Техэксперт - Режим доступа: https:// docs.cntd.ru/document/1200004652.
Mill INI III INI INI INI INI III INI INI INI INI III INI INI INI INI III INI INI INI III INI INI Mil МММ
Spisok literatury:
[1] Shilov, M. A. Fizika prochnosti i mehanika razrushenija: uchebnoe posobie dlja vuzov / M. A. Shilov. - Moskva: Izdatel'stvo Jurajt, 2023. - 175 s.
[2] Saijan, S. G. Razrabotka metodiki ocenki ustalostnyh povrezhdenij i rasprostranenija treshhin na primere rascheta perforirovannoj balki pri mnogociklovyh nagruzhenijah- Moskva: Nacional'nyj issledova-tel'skij Moskovskij gosudarstvennyj stroitel'nyj universitet, 2019. - S. 524-528.
[3] Abakumov, A. I. Safronov I.I. Chislennaja model' makrovjazkogo razrushenija sovremennyh stalej magistral'nyh gazoprovodov. Problemy prochnosti i plastichnosti, 2017. - S. 301-311.
[4] Sunder, R. Vlijanie posledovatel'nosti jekspluatacionnyh nagruzok na dolgovechnost' metallicheskih materialov / R. Sunder // Deformacija i razrushenie materialov. - 2015. - № 5. - S. 8-16.
[5] GOST 25.506-85. Raschety i ispytanija na prochnost'. Metody mehanicheskih ispytanij metallov. Opredelenie harakteristik treshhinostojkosti (vjazkosti razrushenija) pri staticheskom nagruzhenii jelektronnyj resurs], Spravochno-pravovaja sistema Tehjekspert - Rezhim dostupa: https://docs.cntd.ru/docu-ment/1200004652.
J
4,
^ пособий, монографий,
— научных статей.
Профессионаяьно.
Юридическое издательство
«ЮРКОМПАНИ»
Издание учебников, учебных и методических
В максимально
ЮРКОМПАНИ короткие сроки.
Размещаем
WWW.laW-books.ru в РИНЦ, Е-ЫЬгагу.
f
III! III! III! Ill III! III! III! III!Ill III!III!III!III! Ill III! III! IIM
