Особенности усталостного разрушения двухслойных сталей Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 620.179.1

Р. Н. Трутнев, И. Р. Кузеев, Е. А. Наумкин

Особенности усталостного разрушения двухслойных сталей

Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел.: (347) 243-19-52

Установлен информативный признак усталостного разрушения двухслойных сталей, позволяющий фиксировать переход к необратимому разрушению материала по форме зависимости скорости распространения продольных ультразвуковых волн от уровня накопления усталостных повреждений. Показана возможность выявления зон, предрасположенных к разрушению, с помощью анализа зависимостей поверхностной энергии и скорости ультразвука от уровня накопления усталостных повреждений для различных областей по длине рабочей зоны образца.

Ключевые слова: малоцикловая усталость, двухслойная сталь, поверхностная энергия, скорость ультразвука.

Особенностью малоцикловой усталости является то, что этот вид воздействия реализуется длительное время без макроскопической деформации и высоких скоростей распространения трещин. При этом усталостное разрушение обычно происходит неожиданно 1. В связи с этим, предсказание его приближения для индивидуального объекта является сложной проблемой. Подобная задача обычно решается с применением разнообразных сложных методик раннего выявления усталостных микро-2

трещин 2.

В процессе усталости в материале происходит накопление усталостных повреждений, т. е. происходит необратимое изменение физико-механических свойств материала объекта под действием переменных напряжений. Уровень

накопленных повреждений Ы* определяется как отношение числа циклов Ы, при котором проводились измерения, к числу циклов Ыр, соответствующих разрушению.

Физико-механические свойства материалов тесно связаны с их акустическими характеристиками. Поэтому для оценки изменения физико-механических свойств материалов часто используются ультразвуковые средства не-разрушающего контроля 3.

В данной работе проводилось исследование изменения скорости продольных ультразвуковых волн от уровня накопления усталостных повреждений для биметалла 09Г2С + 12Х18Н10Т. Также проводились измерения поверхностной энергии методом «сидящей капли», который хорошо себя зарекомендовал как способ регистрации изменений, происходящих на поверхности материала 4.

В результате исследований установлено, что скорость ультразвука непрерывно снижается при увеличении уровня накопления усталостных повреждений (рис. 1). Относительная скорость ультразвука V* определялась как отношение скорости в момент измерения V к скорости в исходном состоянии V0.

Использование зависимости, представленной на рис. 1, для предсказания перехода биметалла к необратимому разрушению возможно, но не дает необходимой точности, поскольку скорость ультразвука уменьшается непрерывно в течение всего периода нагруже-ния, различаясь только темпом убывания

«

ей И Л

ч

си н В о о и н

О

ей

И ^

п

м _

ей Р

^ I

Л * н >

о ^ о а о

и

о

1

0,995 0,99 0,985 0,98 0,975

0

0,2 0,4 0,6 0,8 1

Уровень накопления усталостных повреждений М*=М/Ыр

Рис. 1. Зависимость относительной скорости ультразвука от уровня накопления усталостных повреждений

Дата поступления 28.09.07

на разных стадиях процесса. Более информативным в данном случае является метод 6, который заключается в нахождении первой и второй производной от V* по Ы*, как это можно видеть на рис. 2 и 3 соответственно.

Особенно информативным является поведение второй производной, которая при переходе к необратимому разрушению материала меняет знак (рис. 3). Этот хорошо заметный момент фиксирует начало наиболее опасной стадии усталостного разрушения.

Практическое использование данного метода 6 не требует измерений скорости ультразвука в ненагруженном объекте, т. е. отсутствует необходимость изучения предыстории нагружения объекта.

Критическая стадия процесса может быть выявлена по знаку производной д2У*/дЫ*2 при небольшом числе дополнительных циклов нагружения.

Анализируя зависимости поверхностной энергии и скорости ультразвука от уровня накопления усталостных повреждений для различных областей по длине рабочей зоны образца (рис. 4), можно сделать вывод, что существует конкуренция между различными зонами образца за разрушение, которая развивается до уровня поврежденности Ы/Ыр = 0.2...0.4 (поверхностная энергия во всех зонах возрастает,

скорость ультразвука снижается). По достижении уровня поврежденности Ы/Ыр = 0.4, а в некоторых зонах и ранее, борьба между зонами образца за разрушение прекращается, поверхностная энергия перестает возрастать, а скорость ультразвука — снижаться. Остается единственная зона 1, в которой тенденция возрастания поверхностной энергии и убывания скорости ультразвука сохраняется в течение всего периода испытаний, что является характерными признаками предстоящего разрушения.

После достижения предельного состояния, что соответствует уровню поврежденнос-ти Ы/Ыр = 0.7, вновь начинают включаться в процесс разрушения некоторые зоны, наблюдается множественность возникновения очагов разрушения (поверхностная энергия в этих областях снова возрастает, скорость ультразвука — снижается), на поверхности образца в данных зонах появляются усталостные трещины, но магистральная трещина развивается в зоне 1. Именно в этой зоне впоследствии и происходит разрушение.

В образце с самого начала деформирования проявляется зона разрушения, причем, если в исходном состоянии потенциально возможных областей разрушения несколько, то после достижении уровня поврежденности К/Ыр = 0.4 остается одна.

ду* 0,020

дМ* 0,000 -0,020 -0,040 -0,060 -0,080 -0,100 -0,120

Уровень накопления усталостных повреждений Ы/Ыр

Рис. 2. Зависимость первой производной от V* по Ы* от уровня накопления усталостных повреждений

д2у* 0,200 дм*7 0,000 -0,200 -0,400 -0,600 -0,800

Уровень накопления усталостных повреждений Ы/Ыр

Рис. 3. Зависимость второй производной от V* по Ы* от уровня накопления усталостных повреждений

01

а

Е

*

х "о

о *

X X X X

ф

0 *

X

X *

1 а ь

о о

о

£ л.

е

о

и

о. я

V р

§ Он

2 «

е я

« л

ЕВ «

к о

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Уровень накопления усталостных повреждений N

0,2 0,4 0,6 0,8 1 Уровень накопления усталостных повреждений N

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Уровень накопления усталостных повреждений N

' 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Уровень накопления усталостных повреждений Ы/Ыр

Рис. 4. Обобщенные диаграммы зависимостей скорости ультразвука и поверхностной энергии от уровня накопления усталостных повреждений для различных областей по длине рабочей зоны образца

Уровень накопления усталостных повреждений №Ыр

Уровень накопления усталостных поврежценш №Ыр

1

& 0,995 1 0,99 Ц 0,985 Р, 0,98 0,975

Уровень накопления усталостных поврежценш №Ыр

0,985

0,98--

0,975 -,-,

0 0,5 1

Уровень накопления усталостных повреждений №Ыр

Литература

1. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов.— М.: Металлургия, 1975. — 455 с.

2. Коллакот Р. Диагностика повреждений: Пер. с англ.- М.: Мир, 1989.- 512 с.

3. Клюев В. В., Соснин Ф. Р., Ковалев А. В. и др. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 2003.- 656 с.

4. Наумкин Е. А., Кузеев И. Р., Прохоров А. Е. Оценка степени поврежденности стали 09Г2С

в условиях малоцикловой усталости с учетом параметров поверхностной энергии / Сборник научных статей «Мировое сообщество: проблемы и пути решения».- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005.- №17.- С. 66.

5. Муравьев В. В., Зуев Л. Б., Комаров К. Л. Скорость звука и структура металлов и сплавов.-Новосибирск: Наука, 1996.- 184 с.

6. Зуев Л. Б., Муравьев В. В., Данилова Ю. С. // Письма в ЖТФ.- 1999.- Т. 25, вып. 9.-С. 31.