Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження

Аналіз методів визначення зусилля, що необхідне для розкриття вістря втомної тріщини, дозволив вибрати і обгрунтувати підхід щодо виміру поточного розкриття її вістря. На основі цього підходу розроблено оригінальний метод вимірювання поточного розкриття вістря втомної тріщини, що підростає, на ст...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2002
Main Authors:	Красовський, А.Я., Піняк, І.С.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2002
Series:	Проблемы прочности
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46839
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження / А.Я. Красовський, І.С. Піняк // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 12-27. — Бібліогр.: 56 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-46839
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-468392013-07-07T17:24:24Z Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження Красовський, А.Я. Піняк, І.С. Научно-технический раздел Аналіз методів визначення зусилля, що необхідне для розкриття вістря втомної тріщини, дозволив вибрати і обгрунтувати підхід щодо виміру поточного розкриття її вістря. На основі цього підходу розроблено оригінальний метод вимірювання поточного розкриття вістря втомної тріщини, що підростає, на сталій відстані позаду її вістря. Анализ методов определения усилия, необходимого для раскрытия вершины усталостной трещины, позволил выбрать и обосновать подход к измерению текущего раскрытия ее вершины. На основе подхода разработан оригинальный метод измерения текущего раскрытия вершины подрастающей усталостной трещины на неизменном расстоянии позади ее вершины. The analysis of methods of evaluating a force required to propagate a fatigue crack made it possible to choose and substantiate an approach to determination of the current crack-tip opening. On the basis of the approach, we developed a methodology capable of measuring the current crack-tip opening of a propagating fatigue crack at a constant distance from the crack tip and behind the tip. 2002 Article Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження / А.Я. Красовський, І.С. Піняк // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 12-27. — Бібліогр.: 56 назв. — укр. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46839 539.4 uk Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Красовський, А.Я. Піняк, І.С. Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження Проблемы прочности
description	Аналіз методів визначення зусилля, що необхідне для розкриття вістря втомної тріщини, дозволив вибрати і обгрунтувати підхід щодо виміру поточного розкриття її вістря. На основі цього підходу розроблено оригінальний метод вимірювання поточного розкриття вістря втомної тріщини, що підростає, на сталій відстані позаду її вістря.
format	Article
author	Красовський, А.Я. Піняк, І.С.
author_facet	Красовський, А.Я. Піняк, І.С.
author_sort	Красовський, А.Я.
title	Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження
title_short	Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження
title_full	Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження
title_fullStr	Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження
title_full_unstemmed	Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження
title_sort	метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2002
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46839
citation_txt	Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження / А.Я. Красовський, І.С. Піняк // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 12-27. — Бібліогр.: 56 назв. — укр.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT krasovsʹkijaâ metodvimírûvannâpotočnogorozkrittâvístrâtríŝinivumovahciklíčnogonavantažennâ AT pínâkís metodvimírûvannâpotočnogorozkrittâvístrâtríŝinivumovahciklíčnogonavantažennâ
first_indexed	2025-07-04T06:21:50Z
last_indexed	2025-07-04T06:21:50Z
_version_	1836696324421976064
fulltext	УДК 539.4 Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження А. Я . Красовський, І. С. П іняк Інститут проблем міцності НАН України, Київ, Україна Аналіз методів визначення зусилля, що необхідне для розкриття вістря втомної тріщини, дозволив вибрати і обгрунтувати підхід щодо виміру поточного розкриття її вістря. На основі цього підходу розроблено оригінальний метод вимірювання поточного розкриття вістря втомної тріщини, що підростає, на сталій відстані позаду її вістря. К лю чові слова : датчик, розкриття вістря втомної тріщини, ефективний розмах коефіцієнта інтенсивності напружень. П о з н а ч е н н я Pop , 5 op - зусилля і розкриття вістря втомної тріщини в циклі (5 c - критичне розкриття берегів втомної тріщини в умовах циклічного навантаження K 0p - коефіцієнт інтенсивності напружень (КІН) розкриття вістря втомної тріщини в циклі K fc - критичний КІН в умовах циклічного навантаження K min , K max - мінімальний і максимальний КІН в циклі AK - номінальний розмах КІН в циклі, AK = K max — K min A K th , AK fc , AKc - відповідно пороговий, критичний і критичний ефективний розмахи КІН в умовах циклічного навантаження AK°JP - характеристика закриття тріщини в циклі, AK°Jp = K 0p — K min A K eff - ефективний розмах КІН в циклі, A K ef = AK — AK°p о 0 2 - умовна границя текучості матеріалу A5, A5ej f - розмах розкриття вістря втомної тріщини і його ефективне значення в циклі Вступ. Вплив змикання-розмикання вістря втомної тріщини на законо мірності її поширення в конструкційних матеріалах оцінюється в основному експериментально. Проводиться реєстрація зусилля в момент розкриття вістря тріщини P0p , визначається КІН K 0p й ефективний розмах КІН AKef , що формує силовий критерій росту втомної тріщини. У межах застосування лінійної механіки руйнування закономірності поширення втомної тріщини вивчаються за допомогою обгрунтованого си лового критерію, який має суттєві переваги над енергетичними і деформа ційними. Ці переваги полягають у тому, що методи, які дозволяють про водити вимірювання розкриття тріщини по лінії дії зусилля з метою визна чення /-інтеграла, а також розкриття її берегів для непрямого визначення © А. Я. КРАСОВСЬКИЙ, І. С. ПІНЯК, 2002 12 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, N2 4 Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини розкриття вістря д ор та критичного розкриття берегів тріщини д с , є мен т зручними, аніж методи вимірювання зусилля Рор, що необхідне для роз криття вістря втомної тріщини. В області малоциклового навантаження вказані переваги втрачаються. На даний час відомо багато експериментальних методів вимірювання зусилля Рор, що необхідне для розкриття вістря втомної тріщини. Запро поновано чимало аналітичних методів розрахунку Рор [1-6], які, на думку авторів, не зможуть знайти практичного застосування внаслідок труднощів, зумовлених достовірністю його визначення. Аналіз експериментальних методів визначення зусилля, що необхідне для розкриття вістря втомної тріщ ини. Згідно з наведеними в літературних джерелах даними [7-9], методи визначення зусилля можна розділити на чотири основні групи (таблиця). До перш ої групи відносяться методи прямого спостереження за роз криттям вістря тріщини, якими раніше користувалися різні автори. Так, Сталь і Елен [10] для цього використовували оптичний мікроскоп і теле камеру, а Девідсон [11] - сканувальний електронний мікроскоп. За відсут ності відповідної апаратури для визначення дискретних значень зусилля Р за допомогою ацетатної плівки можна отримати репліки профілю тріщини [12, 13], а потім, розглядаючи їх під мікроскопом, знайти зусилля Рор, що відповідає розмиканню берегів тріщини. Проте ще Шін і Сміт [13] від мічали, що за подібних спостережень неможливо точно визначити, коли поверхні тріщини дійсно знаходяться в контакті і несуть навантаження. Девідсон, Ланкфорд та ін. [14] для визначення зусилля Рор використо вували методику отримання стереозображень знімків, які зроблено на скану- вальному мікроскопі. Автори робіт [15, 16] для досягнення цієї мети засто совували відповідно оптичну інтерферометрію і оптичний тіньовий метод. Пакман [17] отримав тривимірне зображення закриття тріщини при дослід женні прозорого матеріалу. Таким чином, на основі вищевказаного необхідно відмітити, що методи прямого спостереження за розкриттям вістря втомної тріщини мають неви соку достовірність результатів дослідження, відзначаються трудомісткістю і не можуть бути використані для вимірювання поточного розкриття вістря втомної тріщини як такого, що весь час вимірюється на постійній відстані позаду рухомого вістря тріщини. До другої групи можна віднести методи непрямого спостереження, що використовуються для визначення зусилля Рор при навантаженні зі змінною амплітудою. Згідно з роботою [18], метод визначення зусилля Рор при навантаженні блоками з постійною амплітудою полягає в тому, що ріст втомної тріщини не відбудеться, якщо максимальне навантаження першого циклу наступного блоку не перевищує величину Рор останнього циклу попереднього блоку, Ртах2 - Рор1' На основі робіт Пеллу [19, 20] та Сандера [21], де використовуються борозенки втоми, отримано закономірність: якщо відстань між борозенками втоми малих (наступного блоку) і великих (попереднього блоку) циклів однакова, то мінимальне зусилля й зусилля розкриття вістря втомної трі щини рівні між собою, Рт іп 2 = Рор1. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 13 14 ISSN 0556-171X. Проблеми прочности, 2002, № 4 Експериментальні методи визначення зусилля, що необхідне для розкриття вістря втомної тріщини Методи оцінки розкриття вістря втомної тріщини Автори Рік впровадження Тип датчика Основні недоліки методів 1 2 3 4 5 Прямого спостереження використання оптичної інтерферометрії реплік скануючого електронного мікроскопа оптичного мікроскопа отримання стереозображень для знімків оптичний тіньовий метод W. Sharpe, G. Marci S. Matsuoka, C. Shin D. Davidson H. Staal, J. Elen D. Williams R. Herman 1976 1976, 1985 1978 1979 1984 1995 - Неможливо з усією точністю сказати, коли по верхні тріщини дійсно знаходяться у контакті і несуть навантаження, тобто, в який момент часу в циклі навантажування тріщина розкрита. Низь ка достовірність результатів експерименту і тру домісткість методів, а також неможливість їх використання для визначення поточного роз криття вістря втомної тріщини. Непрямого спостереження вимірювання відстані між борозенками втоми наявності зупинки росту втомної тріщини R. Pelloux, R. Sunder A. De Koning 1967, 1982 1981 - Необхідність проведення чисельних експеримен тальних досліджень. Використовуються тільки для перехідних періодів при циклічному наван таженні зі змінною амплітудою Засновані на фізичних способах дослідження електричного потенціалу вихрових струмів ультразвуку акустичної емісії фотопружності C. Beevers, В. Маркочев, D. Jablonski S. Swanson, Г. Нешпор O. Buck, D. Bouami J. Fransen Y. Cheng, P. Pitoniak 1975, 1979 1983 1967, 1977 1973, 1986 1975 1970, 1974 Контакти різні “Крек” датчики Вихрові Ультразвукові Акустичні Окисні шари, що утворюються на свіжих по верхнях руйнування, виступають у ролі ізоля торів. Наявність шорсткості і виступів на по верхнях руйнування може спричинити коротке замикання електричного, акустичного сигналу та ін. Немає впевненості в еквівалентності визна чення розкриття вістря втомної тріщини відмі ченими методами і механічними. А. Я. Красовський, І. С. Піняк ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4 15 Продовження таблиці ________________1________________ Реєстрації зміни піддатливості зразка з тріщиною W. Elber J. Schijve R. Clerivet C. Bathias 1970 1976 1979 1979 Датчик переміщення Необхідність проведення інтерполяції результа тів виміру на вістря поширюваної втомної трі щини. Неможливість використання для визна чення поточного розкриття вістря втомної трі щини. R. Schmidt 1972 Тензодатчик переміщення R. Roberts, R Schmidt P. Paris, D. Gan S. Kawai, P. Liaw H. Tsukuda, J. Schijve D. Hellmann K. Schwalbe 1972 1973, 1981 1982 1995 1981 Трудомісткість технологічних операцій прикле ювання і розміщення тензометричних датчиків опору на зразку. Необхідність інтерполяції ре зультатів виміру на вістря втомної тріщини і низька достовірність результатів експерименту. Скобовий датчик Необхідність інтерполяції результатів виміру на вістря втомної тріщини. Низька достовірність результатів експерименту. Неможливість вико ристання для визначення поточного розкриття вістря втомної тріщини. Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини ... 16 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4 Продовження таблиці J. Clayton О. Романів Г. Никифорчин Б. Андрусів Н. Куцин В. Трощенко В. Покровський Ю. Скоренко В. Каплуненко 3 1983 1982 1986 Скобовий датчик Необхідність інтерполяції результатів виміру на вістря втомної тріщини. Низька достовірність результатів експерименту. Неможливість вико ристання для визначення поточного розкриття вістря втомної тріщини. Тензометр Необхідність інтерполяції результатів виміру на вістря втомної тріщини. Неможливість викорис тання для визначення поточного розкриття віст ря втомної тріщини. I. Піняк 1990 Датчик Перевага методу розкриття Вимірюється поточне розкриття вістря втомної вістря тріщини, що відкриває нові можливості для ви- тріщини вчення опору руйнування матеріалу при цикліч ному навантаженні і комп’ютеризації експери менту. А. Я. Красовський, І. С. Піняк Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини Недоліками цих методів є труднощі, зумовлені виявленням борозенок втоми для різного класу матеріалів, а також те, що вони можуть використо вуватися лише для перехідних періодів зі змінною амплітудою при цикліч ному навантаженні. Окрім того, для них характерні недоліки першої групи. До т рет ьої групи належать методи, що базуються на фізичних способах дослідження: фотопружності [22, 23]; акустичної емісії [24]; вихрових стру мів [25-27] і ультразвукових датчиків [28-30]. Найбільш широко визнаним є метод падіння електричного потенціалу [31-35], що застосовується для визначення довжини тріщини. В основу методу покладено те, що при змиканні берегів тріщини зі зниженням навантаження зменшується ефек тивна довжина тріщини, а це відповідно впливає на залежність електричного сигналу від прикладеного навантаження. При цьому вимірювання повинні проводитися в момент, коли тріщина відкрита повністю. Однак досвід вико ристання методу показує, що окисні шари, які утворюються на свіжих поверхнях руйнування, можуть виступати у ролі ізоляторів. Більш того, наявність шорсткості та виступів на поверхнях руйнування може призвести до короткого замикання електричного сигналу, що дасть неправильні резуль тати виміру. Очевидно, що між електричним та механічним способами визначення зусилля Рор немає еквівалентності. Ці основні недоліки свідчать про те, що метод електричного потенціалу малопридатний для визначення зусилля Рор. Застосування методу вихрових струмів дозволяє в деякій мірі керувати глибиною проникнення вихрових струмів шляхом регулювання частоти. Проте можливості методу досить низькі. Він має такі ж недоліки, як і метод падіння електричного потенціалу. Методи фотопружності, ультразвуковий та акустичної емісії в порів нянні з механічним методом також не дають впевненості в еквівалентності визначення зусилля Рор. Підкреслимо, що кінцевою метою виміру зусилля Рор є визначення ефективного розмаху КІН як характеристики, що достовірно описує кінетику росту втомної тріщини. Таким чином, одержання достовірних результатів оцінки явища змикання-розмикання тріщини - основна задача експериментальної механіки руйнування в умовах циклічного навантаження. Досягнути вказаної мети можна лише за умови використання методів, в основі яких лежить реєстрація зміни піддатливості зразка з розвитком трі щини. Саме ці методи і складають основну, четверту групу експеримен тальних методів визначення зусилля Рор. Згідно з цими методами проводиться вимірювання деформації є або переміщення д поблизу вістря втомної тріщини у залежності від зусилля Р (Р — д). Із отриманих залежностей Р — д визначається зусилля розкриття вістря втомної тріщини Рор . Наскільки нам відомо, в літературних джерелах не існує єдиної думки щодо визначення зусилля Рор . Більшість дослідників користуються методом, що запропонував Елбер [36], схема його реалізації показана в таблиці. Суть методу полягає у тому, що зусилля розкриття вістря втомної тріщини Рор повинно відповідати тому мінімальному значенню зусилля Р, за якого тріщина розкрита повністю. Розрахунок КІН розкриття ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 17 А. Я. Красовський, І. С. Піняк вістря втомної тріщини K op проводиться згідно з методичними вказівками [37], а ефективний розмах КІН A K f визначається за формулою ^ K eff = K max — K op , (1) де K max - максимальний КІН в циклі. Для визначення зусилля P0p Елбер [36] використав високочутливий датчик переміщення, гострокінцеві щупи якого закріплюються з обох сторін зразка на відстані x = 2 мм позаду вістря тріщини. Він отримав залежність P — д, за допомогою якої визначив зусилля P0p і КІН K 0p розкриття вістря втомної тріщини, що необхідні для знаходження ефективного розмаху КІН A K eff ■ Шмідт [38] для вимірювання зусилля P0p розробив простий датчик деформації, що перетинає фронт тріщини. Датчик наклеюється двома кін цями на зразок, тобто працює як датчик переміщення Елбера. Відомо, що автори робіт [39-44] наклеювали на зразок із тріщиною тензометричні, малогабаритні датчики опору за схемами, наведеними в таблиці, й визначали зусилля P0p . Швальбе [45], Клейтон [46] з метою знаходження зусилля P0p викорис товували скобові датчики (скоба з приєднаним тензометричним мостом), які обладнані гострими стальними штирями й розміщені в лунках. Лунки вико нано на зразку індентором Віккерса симетрично фронту тріщини позаду її вістря. Романів і Никифорчин [8, 47], Трощенко і Покровський [48] застосували тензометри, в яких тензодатчики наклеєні на пружних елементах, що закін чуються гострими контактами. Тензометр своїми контактами розміщується в лунках, виконаних симетрично фронту тріщини позаду її вістря з обох сторін зразка, й утримується за рахунок пружності елементів датчика. Проведені експерименти показали [8, 47], що за умов циклічного наван таження зразка для визначення зусилля P0p потрібно дотримуватися запро понованого методу Романіва (схема його реалізації показана в таблиці), а не Елбера. Основна перевага методу Романіва - це урахування явища зми- кання-розмикання вістря втомної тріщини по товщині зразка. Аналіз будь-якого методу четвертої групи свідчить, що основний їхній недолік полягає в необхідності інтерполяції даних виміру зусилля P й переміщення д на вістря поширюваної втомної тріщини, що суттєво знижує достовірність результатів експерименту. У зв’язку з цим актуальною є задача створення й реалізації підходу, що визначав би поточні (вимірюються весь час на сталій відстані від вістря тріщини в процесі її поширення) значення зусилля P0p і розкриття д 0р вістря втомної тріщини. Такий підхід реалі зується за допомогою методу, що схематично відображено в таблиці й досконало висвітлено в роботі [49]. Підхід до визначення поточного розкриття вістря втомної тріщ ини й установка для його практичної реалізації в ручному режимі. Суть підходу [49] полягає в тому, що на бокових поверхнях зразка 1, симетрично лінії передбачуваного росту тріщини нарізуються дві пари канавок глибиною z < 0,2 мм на відстані одна від одної (база вимірювання) у < 3,6 мм (рис. 1). 18 ISSN 0556-171X. Проблеми прочности, 2002, № 4 Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини а б Рис. 1. Установка для вимірювання в ручному режимі поточних значень зусилля Р0р і розкриття д0р вістря тріщини (а, б), а також її довжини (б). Голки щупів датчика 2 розміщуються в канавках (реалізується спосіб, що описаний в [50]). По мірі росту тріщини голки щупів датчика перемі щуються в канавках за допомогою мікрометричного гвинта 3 в ручному режимі так, щоб черговий замір переміщення д берегів вістря поширюваної наскрізної втомної тріщини у вертикальному напрямку виконувався позаду, на сталій відстані від її вістря, х < 14 мкм (реалізується установка, що описана в [51]). Довжина тріщини вимірюється за допомогою оптичного мікроскопа 4 типу МБС-9, що має можливість переміщуватися в горизонтальному на прямку вздовж лінії росту тріщини. Один окуляр 5 мікроскопа освітлюється стробоскопом 7, а інший окуляр 6 використовується для вимірювання дов жини тріщини. Одночасно вимірюється довжина тріщини і реєструються поточні значення залежності Р — д в циклі. Інерція маси корпусу датчика гаситься за допомогою телескопічного демпфіруючого вузла 8. Поточні значення зусилля Р0р і розкриття д 0р вістря наскрізної втом ної тріщини знаходять із залежностей Р — д за методом Романіва [8, 47] (таблиця). Визначається КІН розкриття тріщини К 0р у відповідності з методикою [37] за формулою Р0 К - ор V Кор , при цьому V - (1—Я) -(9,172 — 13,8291 + 11,822Я2 — 3,056Я3), (2) де ї і Ь - розміри зразка; 1 = І/Ь - безрозмірний коефіцієнт; І - початкова довжина тріщини. На основі отриманих КІН розкриття вістря втомної трі щини К ор визначається ефективний розмах КІН Ь К ^ за формулою [49] ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 19 А. Я. Красовський, І. С. Піняк А К е// = АК - А К °С? . (3) Характеристика закриття тріщини АК°Сі визначається наступним чином: АК°сі = К ор — К щід [52], де АК - номінальний розмах КІН в циклі; К тіп - мінімальний КІН в циклі. Установка для вимірю вання в автоматичному режимі поточного розкриття вістря втомної тріщ ини і її довжини. Функціональна схема установки [53] представлена на рис. 2. До складу установки входить при стрій навантаження, що містить захоплювачі (на рис. 2 не показано) для кріплення зразка 1, освітлювач 2, щілинну діафрагму поздовжнього скану вання 3 (виконана у вигляді пластини з прямокутним отвором), пристрій поздовжнього сканування 4, що містить опору, електродвигун, редуктор, пару гвинт-гайка (повністю не показано), датчик довжини тріщини з пер шим реєструючим приладом 5, щілинну діафрагму поперечного сканування 7 (виконана у вигляді пластини з прямокутним отвором), пристрій попереч ного сканування 8, що містить звуковий генератор і електродинамічний вібратор (не показано), об’єктиви 6 і 9, фотоприймач 10, підсилювач фото струму 11, пороговий пристрій 12, датчик розкриття вістря тріщини 13, другий реєструючий прилад 14 - реєстратор розкриття вістря тріщини, що містить підсилювач і вольтметр. Об’єктив 6 розміщений між щілинною діафрагмою поздовжнього сканування і щілинною діафрагмою поперечного сканування, об’єктив 9 - між щілинною діафрагмою поперечного скану вання і фотоприймачем. Об’єктиви, щілинні діафрагми поздовжнього і попе речного сканування та фотоприймач розміщуються на одній оптичній осі. Пристрій поперечного сканування кінематично з ’єднаний з діафрагмою по перечного сканування. Вихід фотоприймача електрично підімкнений до вхо ду підсилювача фотоструму, вихід останнього - до входу порогового при строю, вихід якого - до входу пристрою поздовжнього сканування, меха нічно зв’язаного з датчиком розкриття вістря тріщини, вихід якого електрич но з ’єднаний з другим реєстратором розкриття вістря тріщини 14. Датчик довжини тріщини електрично зв’язаний з першим реєструючим приладом 5 і кінематично - з пристроєм поздовжнього сканування 4. Працює установка наступним чином. Світловий пучок від освітлювача через щілинну діафрагму поздовжнього сканування виставляється на поліро ваній поверхні зразка з тріщиною. За умови розміщення вістря тріщини по центру щілинної діафрагми поздовжнього сканування він відбивається від поверхні зразка і фокусується об’єктивом 6 у центр щілинної діафрагми поперечного сканування. Остання здійснює сканування вістря тріщини по висоті зразка. Об’єктив 9 фокусує світловий пучок на фотоприймач, з виходу якого фотострум поступає на вхід підсилювача, що побудований на мікро схемі операційного пілсилювача К140УД6. Далі сигнал поступає на вхід порогового пристрою, в основі якого лежить мікросхема компаратора на пруги 521СА3. На виході підсилювача фотоструму виникає напруга, що рівна пороговій напрузі. Щілинна діафрагма пристрою поздовжнього скану вання в цей момент нерухома, а голки щупів датчика розкриття вістря тріщини знаходяться у вістрі досліджуваної тріщини зразка. 20 ISSN 0556-171Х. Проблеми прочности, 2002, № 4 Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини Рис. 2. Функціональна схема установки для вимірювання в автоматичному режимі поточного розкриття вістря втомної тріщини і її довжини: 1 - зразок; 2 - освітлювач; 3 - щілинна діафрагма поздовжнього сканування; 4 - пристрій поздовжнього сканування; 5 - датчик довжини тріщини з першим реєструючим приладом; 6 - перший об’єктив; 7 - щілинна діафрагма поперечного сканування; 8 - пристрій поперечного сканування; 9 - другий об’єктив; 10 - фотоприймач; 11 - підсилювач фотоструму; 12 - пороговий пристрій; 13 - датчик розкриття вістря тріщини; 14 - другий реєструючий прилад. Переміщення гвинта пристрою поздовжнього сканування 4 вимірюють датчиком довжини тріщини з першим реєструючим приладом 5 (за цією величиною судять про довжину тріщини), а розкриття тріщини - датчиком розкриття вістря тріщини з другим реєструючим приладом 14. При зміщенні вістря тріщини вправо від центру щілинної діафрагми поздовжнього скану вання на виході підсилювача фотоструму виникає напруга, що більша за порогове значення. Пороговий пристрій подає сигнал пристрою поздов жнього сканування на зміщення щілинної діафрагми до збігання її центру з вістрям тріщини. Якщо вістря тріщини зміщене вліво від центру щілинної діафрагми, то на виході підсилювача фотоструму виникає напруга, що менша за порогове значення, і пороговий пристрій подає сигнал на зміщення щілинної діафрагми до збігання її центру з вістрям тріщини. Метод поточного розкриття вістря пош ирю ваної наскрізної втомної тріщ ини перевірено на практиці при експериментальному дослідженні закономірностей росту втомної тріщини в сталях 30Л-1, Б9Н. Ці сталі використовуються для виготовлення боковин промислових тракторів Т-330 (Росія) і Катерпілер (США) для роботи на Півночі. Достовірно описано кінетику росту втомної тріщини (РВТ) в коорди натах ^ d a \|d N — ^ ^ Л К . Запропоновано нові характеристики цик лічної тріщиностійкості конструкційного матеріалу, що дозволяють описати важливі ефекти при поширенні наскрізної втомної тріщини [52, 54, 55]. Експериментально перевірено [49, 52] вірогідність розробленого методу й показано, що нанесені конічні канавки на бокових поверхнях зразка в напрямку передбачуваного росту втомної тріщини (горизонтальному) глиби ною 2 < 0,2 мм практично не впливають на її поширення. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 21 А. Я. Красовсъкий, I. С. Піняк Значення залежності Р — д в циклах реєструвалися поточно (безперерв но) на бокових поверхнях компактного зразка у рухомому вістрі наскрізної втомної тріщини, х <14 мкм (фактично у її кінчику на поверхнях зразка). Однак наскрізна втомна тріщина поширюється кривиною по її фронту, що вносить похибку у вимірювання зусилля Рор в циклі по товщині зразка. Метод Романіва [8] (таблиця) дозволяє середньо ураховувати явище зми- кання-розмикання вістря наскрізної втомної тріщини в циклі по товщині зразка через графічно знайдені величини Рор і д ор .Ц і величини визнача ються із залежності Р — д в циклах (таблиця) як пересічення дотичних променів А М і В М (продовження пружних ділянок АВ, С Б залежності Р — д) до пружнопластичної ділянки В С при деформуванні матеріалу по товщині зразка в циклі. Знайдене таким чином зусилля Рор (точка М на схемі Романіва в таблиці) в циклі дозволяє вважати, що воно відповідає зусиллю розкриття вістря поширюваної наскрізної втомної тріщини в центрі кривини фронту по товщині зразка. При визначенні КІН К ор вимірювалася середня довжина поширюваної наскрізної втомної тріщини (заміри проводилися на інструментальному мікро скопі в п ’яти поздовжніх перетинах поверхні злому дослідженого зразка), що відповідає довжині тріщини в центрі кривини її фронту по товщині зразка. Заміри проводилися у відповідності до методичних вказівок [37]. Вибір бази у вимірю вання зусилля Рор проводився наступним чи ном. 1. На основі методичних вказівок [37] і роботи [49] проводилися випро бування компактних зразків на позацентровий розтяг зі сталей Б9Н, 30Л-1. Визначався обмежуваний лінійно-пружною механікою руйнування радіус 1 МОНОТОННОЇ Гр = ---- р 6л Vа 0,2 2 пластичної зони у вістрі поширюваної наскріз ної втомної тріщини на бокових поверхнях зразків і будувалися кінетичні діаграми втомного руйнування (КДВР) в логарифмічних ефективних і номі нальних координатах - ^ й а / ^ Д К ^ , ^ ДК [52, 54, 55]. 2. Визначалися пороговий Д К ^ , критичний Д К ^ і критичний ефектив ний ДК с і розмахи КІН [52], а також зміна радіуса монотонної пластичної зони в межах отриманих КДВР для досліджених сталей, 0,1 мм < тр < 2 мм. 3. Отримані КДВР розбивалися на три ділянки, що мають початок і кінець. Перераховувалися і розмічалися границі ділянок на полірованих бокових поверхнях компактних зразків, що використовувалися для дослід ження бази вимірювання у (розміри зразків відповідають розмірам випро буваних зразків на кінетику РВТ). 4. На бокові поверхні зразків перпендикулярно лінії передбачуваного росту наскрізної втомної тріщини наносилася розмічувальна сітка з кроком вимірювання 1 мм у горизонтальному напрямку (поширення тріщини). На кожній лінії сітки у вертикальному напрямку індентором Віккерса наноси лися лунки з базами [49] вимірювання у = 0,5; 1,5; 2,5; 3,6 мм для першої та другої ділянок КДВР. На третій ділянці КДВР лунки не наносилися, оскіль ки там відсутнє закриття вістря втомної тріщини. 22 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини 5. За допомогою датчика поточного розкриття вістря тріщини реєстру валися залежності P — à, з яких визначалися зусилля P0p і розкриття à 0p вістря поширюваної наскрізної втомної тріщини в циклі. Голки датчика виставляли по черзі в лунки з різними базами тоді, коли вістря наскрізної втомної тріщини на поверхнях зразка сягало вимірюваної лінії сітки. 6. За умови розміщення голок датчика в лунках, що охоплені пластич ною зоною, характер побудованих залежностей P — à подібний до харак теру залежностей P — à, що отримані за сильних зовнішніх перешкод. Із таких залежностей практично неможливо визначити зусилля P0p і роз криття à 0p вістря поширюваної наскрізної втомної тріщини в циклі. 7. При розміщенні голок датчика в лунках, що попадають на границю між зонами пластичного і пружного деформування контуру біля вістря втомної тріщини, на поверхнях зразка і аж до верхнього діапазону прийня тої нами бази вимірювання (у = 3,б мм) розкриття вістря втомної тріщини зусилля P0p залишалося сталим. Проте змінювалися розкриття à 0p , розмах розкриття Aà у вістрі втомної тріщини i кут нахилу залежностей P — à. Ефективний розмах розкриття Aà f вістря втомної тріщини [49] залишався без змін. Аналогічні результати отримано в [5б] на базі вимірювання розкрит тя вістря втомної тріщини (2,5 мм < у < б,4 мм) для сталей 15Х2МФА(І), 15Х2МФА(ІІ). S. Виміряні зусилля P0p і ефективний розмах розкриття Aà f вістря втомної тріщини на базі Q < у < 3,б мм (Q - параметр, який характеризує контур пластичної зони у вістрі втомної тріщини) будуть правомірними при використанні на практиці і при дослідженні закономірностей поширення втомної тріщини в сталях 30Л-1, D9H та ін. В и с н о в к и 1. Проведено критичний аналіз існуючих методів визначення зусилля P0p , що необхідне для розкриття вістря втомної тріщини. 2. На основі одержаних даних розроблено оригінальний метод вимірювання в ручному й автоматичному режимі поточного розкриття à 0p і зусилля P0p вістря поширюваної втомної тріщини на сталій відстані від її вістря, що усуває похибки, пов’язані з інтерполяцією результатів виміру на вістря тріщини. Р е з ю м е Анализ методов определения усилия, необходимого для раскрытия вершины усталостной трещины, позволил выбрать и обосновать подход к измерению текущего раскрытия ее вершины. На основе подхода разработан ориги нальный метод измерения текущего раскрытия вершины подрастающей усталостной трещины на неизменном расстоянии позади ее вершины. 1. Newman J. C. and Armen H. Elastic-plastic analysis of a propagating crack under cyclic loading // AIAA Journal. - 1975. - 13, No. S. - P. 1017 - 1023. ISSN G556-Î7ÎX. Проблемыг прочности, 2GG2, № 4 23 А. Я. Красовсъкий, I. С. Птяк 2. М акчауен Ж. Ж ., Л ю Г. В. Роль трехмерных эффектов при экспери ментальном исследовании роста усталостных трещин в условиях посто янной амплитуды // Теорет. основы инж. расчетов. - 1980. - 102, № 4. - С. 27 - 33. 3. Fuhring H. and Seeger T. Structural Metory of Cracked Components under Irregular Loading // ASTM STP 677, 1979. - P. 144 - 167. 4. Banergee S. Crack closure in fatigue. Mechanisms and prediction // Transactions of the Indian Institute of Metals. - 1985. - 38, No. 2. - P. 167 - 186. 5. D ill H. D. and S a ff C. R. Spectrum crack growth prediction method based on crack surface displacement and contact analyses // Fatigue Crack Growth under Spectrum Loads. - ASTM STP 595, 1976. - P. 306 - 319. 6. Newman J. C. A crack-closure model for predicting fatigue crack growth under aircraft spectrum loading // Methods and Models for Predicting Fatigue Crack Growth under Random Loading. - ASTM STP 748, 1981. - P. 53 - 84. 7. Сиратори М ., М иеси Т., М ацусита X. Вычислительная механика разру шения. - М.: Мир, 1986. - 334 с. 8. Романив О. Н., Никифорчин Г. Н ., Андрусив Б. Н. Эффект закрытия трещин и оценка циклической трещиностойкости конструкционных сплавов // Физ.-хим. механика материалов. - 1983. - № 3. - С. 47 - 61. 9. F leck N. A. Fatigue crack growth - the complications // Proc. of the Conf. on Fatigue Crack Growth: 30 Years of Progress, 1984. - Cambridge, 1986. - P. 75 - 88. 10. Staal H. U. and Elan J. D. Crack closure and influence of cycle ratio R on fatigue crack growth in type 304 stainlees steel at room temperatures // Eng. Fract. Mech. - 1979. - 11, No. 2. - P. 275 - 283. 11. Davidson D. L. and Nady A. Scientific instruments // J. Phys., E. - 1978. - No. 11. - P. 207 - 210. 12. M atsuoka S., Tanaka K., and Kawahara M . The retardation phenomenon of fatigue crack growth in HT80 Steel // Eng. Fract. Mech. - 1976. - 8, No. 3. - P. 507 - 523. 13. Shin C. S. and Smith R. A . Fatigue crack growth mechanisms // Int. J. Fatigue. - 1985. - No. 7. - P. 87 - 93. 14. Williams D. R., D avidson D. L., and Lankford J. Stereofractography application to define the fatigue crack opening // Exp. Mech. - 1984. - No. 20. - P. 134 - 139. 15. Sharpe W. N. and Grandt A. F. A preliminary study of fatigue crack retardation using laser interferometry to measure crack surface displacements // Mechanics of Crack Growth. - ASTM STP 590, 1976. - P. 302 - 320. 16. Herm an R. and B ull C. Application of the shadow optical method to fatigue and crack closure studies // Strain. - 1995. - 31, No. 3. - P. 101 - 106. 17. Packman P. F. Society of experimental stress analysis // Exp. Tech. Fract. Mech. - 1975. - No. 2. - P. 59 - 87. 24 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4 Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини 18. D e K oning A. U. A simple crack closure model for prediction of fatigue crack growth rates under variable amplitude loading // Fracture Mechanics. - ASTM STP 743, 1981. - P. 63 - 85. 19. M cM illan J. C. and Pelloux R. M. Fatigue crack propagation under program and random loads // Fatigue Crack Propagation. - ASTM STP 415, 1967. - P. 505 - 543. 20. Pelloux R. M ., Faral M ., and M cG ee W. M. Fractographic measurements of crack-tip closure // Fracture Mechanics. - ASTM STP 700, 1980. - P. 35 - 48. 21. Sunder R. and Dash P. K. Measurement of fatigue crack closure through electron fractography // Int. J. Fatigue. - 1982. - No. 4. - P. 97 - 105. 22. Cheng Y .E . and Bruner M. Photoelastic research in progress on fatigue crack closure // Int. J. Fract. Mech. - 1970. - 6, No. 4. - P. 431 - 434. 23. Pitoniak P. B., Grandt A. F., M ontulli L. T., and Packman P. F. Fatigue crack retardation and closure in polymethylmethacrylate // Eng. Fract. Mech. - 1974. - 6, No. 4. - P. 663 - 670. 24. Fransen J. D., Inman R. V., and B uck O. A comparison of acoustic and strain gauge techniques for crack closure // Int. J. Fract. - 1975. - No. 11. - P. 345 - 348. 25. Л ал К. М ., Гарг С. Б., Ленэй И. Об эффективном коэффициенте размаха напряжений при усталости // Теорет. основы инж. расчетов. - 1980. - 102, № 1. - С. 98 - 104. 26. Swanson S. R., Cicci F., and Hoppe W. Crack propagation in 7079-T6 aluminum alloy sheet under constant and random amplitude loading // Fatigue Crack Propagation. - ASTM STP 415, 1967. - P. 312 - 362. 27. Нешпор Г. С., М иклеев П. В., Грецких С. В. Усовершенствованная установка для автоматической записи трещины в листовых образцах // Завод. лаб. - 1977. - № 4. - С. 501. 28. Ho C. L., Buck O., and M arcus H. L. Application of strip model to crack tip resistance and crack closure // Progress in Flaw Growth and Fracture Toughness Testing. - ASTM STP 536, 1973. - P. 5 - 21. 29. Clark W. G. Ultrasonic detection of fracture initiation and extension in WOL-type fracture toughness specimen // Mater. Eval. - 1976. - No. 8 . - P. 185 - 190. 30. Bouami D. and D e Vadder D. Fermature et ouverture de fissure de fatigue: detection et mesure par une methode ultrason // Mater. et Tech. - 1986. - 74, No. 3, 4. - P. 81 - 84. 31. Irving P. E., Robinson J. L., and Beevers C. J. A study of the effects of mechanical and environmental variables on fatigue crack closure // Eng. Fract. Mech. - 1975. - 7, No. 4. - P. 619 - 630. 32. Clarke C. K. and Cassat G. C . A study of fatigue crack closure using electric potential and compliance techniques // Ibid. - 1977. - 9, No. 3. - P. 675 - 688. ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4 25 А. Я. Красовсъкий, I. С. Піняк 33. Vosikovsky O. Fatigue crack closure in an X70 steel // Int. J. Fract. - 1981. - 17, No. 3. - P. 301 - 309. 34. М аркочев В. М ., Бобринский А. П ., Кийко В. М. Новый метод измерения длины трещины в токопроводящих образцах // Завод. лаб. - 1979. - № 9. - С. 861 - 862. 35. Jablonski D. A. and Lee B. H. Automated fatigue crack growth rate testing using a computerized test system // Int. Conf. on Digital Techniques in Fatigue (SEECO’83). - London, 1983. - P. 291 - 308. 36. Elber W. The significance of fatigue crack closure // Damage Tolerance in Aircraft Structures. - ASTM STP 486, 1971. - P. 230 - 242. 37. М етоды механических испытаний материалов. Определение характе ристик трещиностойкости при циклическом нагружении. Методические указания. Сер.: Проблемы прочности, долговечности и надежности продукции машиностроения. - М.: МНТК “Надежность машин”, 1993. - 56 с. 38. Roberts R. and Schm idt R. A. Observations of crack closure // Int. J. Fract. Mech. - 1972. - 8, No. 4. - P. 469 - 471. 39. Gan D. and Weerman J. Crack closure and crack propagation rates in 7050 aluminum // Eng. Fract. Mech. - 1981. - 15, No. 1, 2. - P. 87 - 106. 40. Liaw P. K., Leax T. R., Williams R. S., and Peck M. G. Near-threshold fatigue crack growth behavior in copper // Met. Trans. - 1982. - 13A, No. 9. - P. 1607 - 1618. 41. Schm idt R. A. and Paris P. C. Threshold for fatigue crack propagation and effects of load ratio and frequency // Progress in Flaw Growth and Fracture Toughness Testing. - ASTM STP 536, 1973. - P. 79 - 94. 42. Endo K., K am ai K., and M atsuda Y. Mechanical effects of corrosion products in corrosion/ / Bull. JSM E.- 1981 .-24 , No. 194.- P . 1 3 19 - 1325. 43. Tsukuda H., Oglyama H., and Shiraishi T. Fatigue crack growth and closure at high stress ratios // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. - 1995. - 18, No. 4. - P. 503 - 514. 44. Yisheng W. and Schijve J. Fatigue crack closure measurement on 2024-T3 sheet specimens // Ibid. - No. 9. - P. 917 - 921. 45. Hellmann D. and Schwalbe K. H. Geometry and size effects on J — R and d — R curves under plane stress conditions // Fracture Mechanics. - ASTM STP 833, 1984. - P. 577 - 605. 46. Clayton J. Q. Crack closure and overload effects in fatigue // Fracture Mechanics Technology Applications Materials Evaluation and Structures Design. - Melbourne, 1983. - P. 491 - 503. 47. Никифорчин Г. H., Андрусив Б. Н., Волъдемаров А. В., Куцин М. А. Оценка эффекта закрытия усталостных трещин // Физ.-хим. механика материалов. - 1982. - № 5. - С. 100 - 103. 48. Трощенко В. Т., Покровский В. В., Каплуненко В. Г. Влияние размеров образцов на характеристики циклической трещиностойкости тепло устойчивых сталей // Пробл. прочности. - 1986. - № 4. - С. 3 - 9. 26 ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2002, № 4 Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини 49. Піняк І. С. Методологія вивчення закономірностей поширення втомної тріщини за критерієм росту - поточним і обмеженим ефективним розмахом КІН // Вибрации в технике и технологиях. - 2001. - № 5. - С. 50 - 53. 50. А. с. 1670357 СССР МКИ5 в01 В 5/30. Способ измерения раскрытия трещины на образце / Ю. А. Кашталян, И. С. Пиняк. - Опубл. 15.08.91, Бюл. № 30. 51. А. с. 1714427 СССР МКИ4 в01 N 3/32. Установка для определения характеристик трещиностойкости материалов / И. С. Пиняк, А. В. Наумов, В. М. Морозов. - Опубл. 23.02.92, Бюл. № 7. 52. П иняк И. С. Влияние закрытия трещины на определяемые характе ристики циклической трещиностойкости сталей // Пробл. прочности. - 1998. - № 2. - С. 161 - 171. 53. А. с. 1635055 СССР МКИ4 в01 N 3/32. Установка для испытаний образцов на циклическую трещиностойкость / И. С. Пиняк, О. Л. Малов. - Опубл. 15.03.91, Бюл. № 10. 54. П іняк І. С. Вплив явища закриття вістря втомної тріщини на асиметрію циклу навантаження та пороги тріщиностійкості // Пробл. прочности. - 2000. - № 6 - С. 106 - 114. 55. П иняк И. С. Текущее значение раскрытия вершины трещины усталости как экспериментально обоснованный критерий ее роста // Там же. - 1998. - № 1. - С. 25 - 33. 56. Трощенко В. Т., Ясний П. В., Покровский В. В., Скоренко Ю. С. Методика и некоторые результаты исследования раскрытия трещины усталости // Там же. - 1987. - № 10. - С. 8 - 13. Поступила 11. 07. 2000 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2002, № 4 27

Метод вимірювання поточного розкриття вістря тріщини в умовах циклічного навантаження

Institution

Similar Items