CC BY
53
ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 620.179.13
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Георгий Алексеевич Куриленко
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук, профессор кафедры прочности летательных аппаратов, тел. (383)346-17-77, e-mail: teormech@ngs.ru
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: v.s.ayrapetyan@ssga.ru
Характеристики статической трещиностойкости традиционно определяются при испытаниях стандартных образцов с начальными надрезами по диаграмме «Р-V», где P - приложенное усилие, V - расхождение берегов надреза. По этой диаграмме определяется характерная точка Q. При нагрузке Pq, соответствующей этой точке, начинается движение трещины. По этой нагрузке затем рассчитываются характеристики трещиностойкости. При хрупком (упругом) разрушении диаграмма «Р-V» в начале движения трещины имеет экстремум (или локальный экстремум), по ординате которого PQ определяется достаточно точно. При вязком и упруго-вязком разрушении диаграмма «Р-V» является монотонно возрастающей функцией и для определения Pq проводится 5-процентная секущая, не учитывающая особенности материала, и поэтому Pq определяется со значительной погрешностью.
Для повышения точности предлагается термографический метод определения характеристик трещиностойкости металлов. Согласно этому методу, строится график зависимости силы P от изменения температуры АТ за достаточно малый промежуток времени в кончике нанесенного на образец надреза. Этот график затем перестраивается в диаграмму «P-AS», где AS - приращение удельной энтропии в кончике надреза, которое рассчитывается через АТ. Эта термодинамическая диаграмма образует характерную ступеньку в начале движения трещины, по ординате которой можно значительно точнее определить Pq. Кроме того, термографический метод позволяет упростить технологию подготовки образца к испытаниям, а именно, заменить нанесение усталостной трещины в кончике надреза острым пропилом, что дает существенную экономию времени. Проведенная статистическая обработка и сравнение результатов испытаний образцов из стали 20 по традиционной и термографической методикам показала преимущество термографической методики по точности и трудоемкости.
Ключевые слова: характеристики трещиностойкости, коэффициент интенсивности напряжений (КИН), температура, энтропия, расчетная нагрузка, надрез, пропил, движение трещины.
1. Введение
Оптико-механические приборы, используемые в современной военной технике, могут эксплуатироваться в экстремальных условиях при значительных внешних нагрузках. Поэтому силовые детали этих приборов должны иметь соответствующие прочностные характеристики.
В настоящей работе рассматривается разработанный нами новый термографический метод определения характеристик статической трещиностойкости материалов.
Эти характеристики определяются экспериментально на специальных образцах с заранее созданной трещиной (надрезом). При этом используются или плоские образцы с центральной или краевой трещинами, или цилиндрические образцы с кольцевой трещиной. Перед испытаниями необходимо нарастить надрез усталостной трещиной длиной не менее 1,5 мм.
При стандартных испытаниях [1] строятся диаграммы «Р-У», где Р - приложенная сила; У - смещение берегов трещины. Целью этих испытаний является фиксация момента страгивания трещины. Этому моменту соответствует расчетная нагрузка Рд, по которой затем и рассчитываются все необходимые характеристики трещиностойкости.
При хрупком разрушении расчетной нагрузке Рд> соответствует или максимум, или локальный максимум нагрузки, т. е. момент страгивания трещины удается зафиксировать довольно точно. Диаграммы «Р-У», соответствующие упруго-вязкому или вязкому разрушению, характеризуются отсутствием локальных максимумов нагрузки, что затрудняет фиксацию расчетной нагрузки. Для этой цели рекомендуется следующее построение - проводят 5-процентную секущую, и расчетная нагрузка Рд определяется как ордината пересечения этой секущей с кривой «Р-У» [1, 2]. Проведением 5-процентной секущей пытаются отделить геометрическую нелинейность, определяющую 2-процентное подрастание трещины, после которого, как считается, начинается движение трещины, от физической нелинейности, связанной с развитием интенсивной пластической деформации в кончике трещины.
Однако при таком традиционном подходе расчетная нагрузка Рд определяется с недостаточной точностью, поскольку не учитываются индивидуальные особенности испытываемого материала, а также довольно затруднительным является проведение самой 5-процентной секущей. Кроме того, при подготовке образцов к эксперименту требуется нанесение усталостных трещин от вершин надрезов на глубину порядка 0,3 мм, что является достаточно трудоемкой операцией.
2. Цели и методика исследования
Целями проведенного нами исследования было повышение точности определения характеристик трещиностойкости при упруго-вязком и вязком разрушении и снижение трудоемкости при подготовке образцов к эксперименту. Исследования проводились на плоских образцах из стали 20.
Для более точной фиксации расчетной нагрузки мы использовали термографический параметр АТ - изменение температуры в кончике трещины за достаточно малый промежуток времени. Испытания проводились на шестнадцати плоских образцах (рис. 1) с центральными трещинами нормального отрыва согласно модели I линейной механики разрушения [1, 3-5]. Наряду с построением традиционных диаграмм «Р-У», строились диаграммы «Р-АТ», которые затем перестраивались в диаграммы «Р-А^», где АS - приращение удельной энтропии в пластической зоне развития трещины. Сопоставлением этих двух термодинамических диаграмм с диаграммой «Р-У» устанавливалась корреляционная связь между их характерными точками.
С)
h
b
j
-Ф
L
Г\
Рис. 1. Образец для испытаний. L = 150 мм, b = 50 мм, t = 9 мм, h = 7 мм, l = 10 мм
t
l
Размеры образцов были выбраны согласно рекомендациям в [1, 3]. На половине образцов (1-я группа), как этого требует стандартная методика, перед испытаниями от вершины надрезов были наработаны усталостные трещины, а на остальных образцах (2-я группа) усталостные трещины были заменены острыми тонкими пропилами. Усталостная трещина создавалась от исходного надреза при коэффициенте асимметрии цикла нагружения ^ = 0,1.
Характеристики трещиностойкости (вязкости разрушения) определялись по результатам однократных статических испытаний данных образцов на универсальной гидравлической машине УГ-20. Температура в кончике трещины фиксировалась с помощью шведского тепловизора «Aga-750» [6, 7], имеющего чувствительность 0,1оС при включенном механизме сканирования. При наблюдении за точкой механизм сканирования отключали, при этом чувствительность тепловизора возрастала на порядок.
На рис. 2 показана схема расположения используемого оборудования при эксперименте.
2
1
т
Т 10
Рис. 2. Схема расположения оборудования при эксперименте:
1 - испытательная машина УГ-20; 2 - пульт управления; 3 - датчик смещения; 4, 8 - двухкоординатные потенциометры «Еп&ш 620.02», используемые для записи диаграмм; 5 - датчик омического сопротивления; 6 - образец; 7 - тепловизор; 9 - тензоусилитель «Топаз 4-01»; 10 - источник питания «Агат-10»
При испытаниях образцов из стали 20 в кончиках трещины происходят уп-ругопластические деформации с образованием большой пластической зоны. В таких случаях в качестве наиболее достоверных характеристик вязкости разрушения принимают: КдТ - критический КИН для образца данной толщины,
К* - условный критический КИН, соответствующий квазихрупкому разрушению, 8С - раскрытие в вершине трещины при максимальной нагрузке Рс.
3. Результаты экспериментов
На рис. 3 для одного из образцов 1-й группы показаны диаграммы «Р-У», «Р-ДТ». Вторая диаграмма затем была перестроена в диаграмму «P-AS» по формуле [8]:
А£ = су 1п
Р, кН
Рс
90
60
30
0
0
II I II 1 с
-у- гг 4 5 %
0 1 2 7 рс 3
-0,75 0 1,5 3 4,5
28
56
84
V, мм (I)
М ,0К(11)
да• ю-3,-^ (III) м3 • К
Рис. 3. Диаграммы «Р^»©, «Р-АТ»(П), «Р-А£»(Ш), полученные при испытании образца с усталостной трещиной
(1-я группа образцов)
Здесь су - удельная теплоемкость материала; Т2 и Т1 - температуры в вершине трещины в конце и начале данного промежутка времени. Следует заметить, что в формуле да - та часть потока произведенной энтропии, которая идет только на нагрев очага повреждаемости, но именно этот поток энтропии и адекватен рассматриваемой задаче, поскольку при пластическом деформировании практически вся энергия переходит в тепло.
На рис. 4 показаны такие же диаграммы, но полученные при испытании образца 2-й группы. Пропилы делались заточенной ножовкой толщиной 0,3 мм. Заметим, что для других испытанных образцов диаграммы обоих типов имеют аналогичный вид.
Р, кН
80
PQ
40
0
II III
0
-0,75 0
I
0,4 0,8
1,5 3
V, мм (I) ЛT ,°К(П)
А^ • 10"3,4^ (III) м3 • К
-14 0
50
100
Рис. 4. Диаграммы «P-V»(I), «P-Л»(II), «P-ЛS»(III), полученные при испытании образца с острым пропилом (2-я группа образцов)
Обсудим полученные результаты. Прежде всего отметим, что диаграмма «P-V» для образцов 2-й группы (см. рис. 4) непригодна для определения характеристик трещиностойкости. Этого, вообще говоря, и следовало ожидать, поскольку у этих образцов не была соблюдена апробированная строго регламентированная технология их подготовки к испытаниям [1, 3] - не нанесена усталостная трещина. А диаграммы «P-ДT » и «P-ДS » [9] для обеих групп образцов оказались практически идентичными.
Заметим также, что на диаграммах « P -ДT » и « P-ДS » есть три ярко выраженные зоны [7, 9], имеющие ясный физический смысл: вначале (1-я зона) происходит небольшое понижение температуры, связанное с эффектом Томсона, затем разогрев материала за счет микропластического деформирования компенсирует эффект Томсона и происходит стабилизация температуры (2-я зона) и, наконец, начинается резкое повышение температуры за счет выделения энергии при пластическом деформировании (3-я зона).
И что является очень важным, определенные точки этих диаграмм коррелируют с характерными точками на диаграмме «P-V»: ординаты точки на границе между 1-й и 2-й зонами практически соответствуют ординате точки Q на диаграмме «P-V», а точки С, соответствующие максимальной нагрузке, практически совпадают.
Затем по экспериментально полученным расчетным точкам, взятым из диаграммы «P-V», были определены по стандартной методике все необходимые характеристики трещиностойкости для образцов 1-й группы, а по термодинамической диаграмме « P-ДS » - для всех образцов обеих групп.
И в завершение была проведена статистическая обработка рассчитанных параметров, в результате чего были определены доверительные интервалы и среднеквадратические отклонения характеристик трещиностойкости, полученных по диаграммам «P-V» и « P-ДS ».
4. Анализ полученных результатов. Выводы
1. Характеристики трещиностойкости довольно точно определяются традиционным способом (по диаграмме «P-V») при хрупком (упругом) разрушении. При испытаниях образцов из стали 20 наблюдалось вязкое разрушение. Сложная природа явления страгивания трещины при вязком разрушении препятствует прямой его регистрации по диаграмме «P-V». К. Хеллан [2] отмечает, что традиционная методика определения начала движения трещины путем проведения 5-процентной секущей, не учитывающей индивидуальные особенности детали, является «источником некоторой неуверенности в результатах». Из-за того, что трещина может распространяться внутри материала, невозможно использовать некоторые альтернативные методы, например, оптические. Может оказаться затруднительным сам факт обнаружения разрушения, поскольку по-врежденность на фронте трещины растет постепенно, так как происходит рост и слияние микропор. В самой сути традиционного способа заложена погрешность, которая может быть существенной. Поэтому Хеллан и другие исследователи [2, 3, 10-12] предлагают поиск новых экспериментальных методов расчета характеристик трещиностойкости при вязком разрушении. И предлагаемый термографический способ можно рассматривать как шаг в этом направлении.
2. Из рассчитанных доверительных интервалов видно, что характеристики трещиностойкости, рассчитанные по диаграмме «P-ЛS», лежат кучнее, чем характеристики, рассчитанные по диаграмме «P-V», следовательно, можно предположить, что точность их определения - более высокая. Такой результат можно объяснить тем, что график «P-ЛS» имеет резко выраженный излом в районе расчетной точки, по которому эту точку легко зафиксировать. Этот излом имеет и четкую физическую интерпретацию - он соответствует началу процесса интенсивного пластического деформирования, который, как отмечается в литературе, а также зафиксировано в наших экспериментах, происходит скачкообраз-
но [1, 3]. Именно в этот момент начинается движение трещины, что и необходимо зафиксировать при испытаниях.
З. Выявленная в процессе проведенных исследований независимость диаграмм «P-AT» и «P-AS» от типа образца дает возможность при подготовке образцов к испытаниям заменить трудоемкий процесс наращивания усталостной трещины довольно простым процессом нанесения острых пропилов от вершины надреза. Этот факт также можно рассматривать как обстоятельство, свидетельствующее о том, что по термодинамическим диаграммам в большей степени определяются именно свойства самого материала.
Можно было бы и дальше продолжить перечень соображений, замечаний и сомнений по использованию термодинамического подхода при испытаниях на статическую трещиностойкость. Но несомненным является то обстоятельство, что при упруго-вязком разрушении в экспериментах с образцами из стали 20 удалось точнее и с существенной экономией времени фиксировать по диаграмме «P-AS» усилие, соответствующее началу движения трещины, по которому затем можно рассчитывать характеристики трещиностойкости [1, 3].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом тагружении. - М. i Изд. стандартов, 1985. - 61 с.
2. Хеллан К. Введение в механику разрушения. - М. i Мир, 1988. - 364 с.
3. Ковчик С. В., Морозов Е. М. Механика разрушения и прочность материалов. Справочное пособие i в 4 т. Т. 3. - Киев i Наукова думка, 1988. - 435 с.
4. Махутов Н. А., Макаренко И. В., Макаренко Л. В. Исследование механизма и кинетики разрушения поверхностных разноориентированных полуэллиптических трещин при сложном напряженно-деформированном состоянии с помощью деформационных критериев нелинейной механики разрушения // Проблемы прочности. - 2013. - № 4. - С. 91-97.
5. Романов А. Н. Распространение трещин усталости и единая кривая циклической трещиностойкости конструкционных материалов // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2013. - № 5. - С. 47-57.
6. Куриленко Г. А., Пшеничный А. Б., Труфанова Т. В. Оценка повреждаемости циклически деформируемых деталей с макротрещинами // Техническая диагностика и неразру-шающий контроль. - 1992. - № 3. - С. 46-49.
7. Куриленко Г. А., Пшеничный А. Б. Способ определения трещиностойкости материалов! а.с. СССР № 1820278, МКИ3 G 01 N 3/00; заявл. 21.03.1990; опубл. 07.06.93, Бюл. № 21. - 14 с.
8. Базаров И. П. Термодинамика. - М. i Высшая школа, 1983. - 344 с.
9. Kurilenko G. A. Quantitative infrared investigations through the intensity of thermal source in the domain of damaging // Proc. of the 4th Intern. Workshop «Advanced Infrared Technology and Applications». - Firenze, 1997. - pp. 177-188.
10. Hello G., Tahar M. B., Roelandt I. M. Analytical determination of coefficients in crack-tip stress expansions for a finite crack in an infinite plane medium // International Journal of Solid and Structures. - 2012. - Vol. 49. - P. 556-566.
11. Ding P., Wang X. Solutions of the second elastic-plastic fracture mechanics parameter in test speciments // Engineering Fracture Mechanics. - 2010. - Vol. 77. - P. 3462-3480.
12. Heat sources, energy storage and dissipation in high-strength steels: experiments end modeling / S. Dumonlin, H. Louche, O. S. Hopperstad, T. Borvik // European Journal of Mechanics A/Solids. - 2010. - Vol. 29. - P. 461-474.
Получено 21.06.2016
© Г. А. Куриленко, В. С. Айрапетян, 2016
DEFINITION CRACK RESISTANCE CHARACTERISTICS OF DETAILS OF OPTICS-MECHANICAL INSTRUMENTS
George A. Kurilenko
Novosibirsk State Technical University, Russia, 630073, Novosibirsk, K. Marx Avenue, 20, D. Sc., Professor, Department of Strength of Aircrafts, tel. (383)346-17-77, e-mail: teormech@ngs.ru.
Valeric S. Ayrapetian
Siberian State University of Geosistems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Head of the Department of Special Devices and Technologies, tel. (913)462-10 75, e-mail: v.hayr100011@mail.ru.
The aim of traditional tests of samples with initial incisions is to make a diagram "P-V" (P is force stretching the sample & V characterizes the widening of the crack), on which a characteristic point Q is fixed, defining the beginning of crack growth. By force Pq, corresponding point Q, the characteristics of static crack resistance are calculated. At brittle (elastic) destruction we get diagram, having the maximum or the local loading maximum around the characteristic point Q. In such cases this point is fixed precisely enough, & the characteristics of crack resistance are defined with a great degree of reliability. At plastic & elastic-plastic destruction we get diagram, where the point Q is defined through building a 5 % secant. As many investigators point out, such method may cause considerable error when calculating the characteristics of crack resistance, as the peculiarities of the tested metals are not taken into account.
This problem is solving be building of empiric diagram "P-AT", where AT is increment of the temperature at the top of the crack during a certain short period of time. This diagram, unlike traditional diagram "P-V", makes it possible to record with more precision the distinctive point Q, defining the beginning of crack growth, because in that time the process of plastic deformation on top of the crack begins. Then an intensive dispersion of heart occurs & temperature curve has a characteristic bending. This bending having a distinct physical interpretation is reliably fixed by standard equipment used for measuring the temperature without a contact.
The point Q is recorded especially clearly by properly step on the diagram "P-AS", which is built on the basis "P-AT" diagram. The statistics analysis of the crack resistance characteristics, obtained by a traditional method & by the proposed thermographic method, demonstrated that in the latter case these characteristics are defined more precisely.
Key words: crack resistance, stress intensity factor, temperature, entropy, specified load, incision, cut, crack motion.
REFERENCES
1. Standarts Russian Federation. (1985). GOST 25.506-85. Raschety i ispytaniya na prochnost'. Metody mekhanicheskikh ispytaniy metallov. Opredelenie kharakteristik treshchinostoykosti (vyazkosti razrusheniya) pri staticheskom nagruzhenii [State Standard 25.506-85. Calculations and
tests of strength . Methods of mechanical testing of metals. Characterization of fracture toughness (toughness) at static nagruzhenii]. Moscow: Standartinform Publ. [in Russian].
2. Khellan, K. (1988). Vvedenie v mekhaniku razrusheniya [Introduction to fracture mechanics]. Moscow: Mir [in Russian].
3. Kovchik, S. V., & Morozov E. M. (1988). Mekhanika razrusheniya iprochnost' materialov [Fracture mechanics and strength of materials]: Vol. 3. Kiev: Naukova dumka [in Russian].
4. Makhutov, N. A., Makarenko, I. V., & Makarenko, L. V. (2013). Studies on the fracture mechanism and kinetics of randomly oriented surface semi-elliptic cracks at the multiaxial stressstrain state with deformation criteria of nonlinear fracture mechanics. Problemy prochnosti [Strength of Materials], 4, 91-97 [in Russian].
5. Romanov, A. N. (2013). Crack propagation of fatigue and a single curve cyclic crack resistance of structural materials. Problems of mechanical engineering and reliability [Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin], 5, 47-57 [in Russian].
6. Kurilenk, G. A., Pshenichnyy, A. B, & Trufanova, T. V. (1992). Evaluation of damage cyclically deformable parts with macrocracks. Tekhnicheskaya diagnostika i nerazrushayushchiy kontrol' [Technical diagnostics and non-destructive testing], 3, 46-49 [in Russian].
7. Kurilenko, G. A., & Pshenichny, A. B. (1993). Patent a. s. SSSR No 1820278, MKI3 G 01 N3/00. IP SSSR [in Russian].
8. Bazarov, I. P. (1983). Termodinamika [Thermodynamics]. Moscow: Vysshaya shkola [in Russian].
9. Kurilenko, G. A. (1997). Quantitative infrared investigations through the intensity of thermal source in the domain of damaging. Proc. of the 4th Intern. Workshop "Advanced Infrared Technology and Applications", Firenze, pp. 177-188.
10. Hello, G., Tahar, M. B., & Roelandt, I. M. (2012). Analytical determination of coefficients in crack-tip stress expansions for a finite crack in an infinite plane medium. International Journal of Solid and Structures, 49, 556-566.
11. Ding, P., & Wang, X. (2010). Solutions of the second elastic-plastic fracture mechanics parameter in test speciments. Engineering Fracture Mechanics, 77, 3462-3480.
12. Dumonlin, S., Louche, H., Hopperstad, O. S., & Borvik, T. (2010). Heat sources, energy storage and dissipation in high-strength steels: experiments end modeling. European Journal of Mechanics A/Solids, 29, 461-474.
Received 21.06.2016
© G. A. Kurilenko, V. S. Ayrapetian, 2016
