Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области

В несущих конструкциях трещины в большинстве случаев относятся к категории недопустимых дефектов, особенно при динамических и циклических нагрузках. Показано, что повторяющаяся упругопластическая деформация (ПУПД) стальных пластин и труб с трещиной может приводить к возникновению в...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Дата:	2013
Автори:	Венгринович, В.Л., Денкевич, Ю.Б., Герловский, С.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2013
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101899
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области / В.Л. Венгринович, Ю.Б. Денкевич, С.А. Герловский // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2013. — № 2. — С. 29-34. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860102537583001600
author	Венгринович, В.Л. Денкевич, Ю.Б. Герловский, С.А.
author_facet	Венгринович, В.Л. Денкевич, Ю.Б. Герловский, С.А.
citation_txt	Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области / В.Л. Венгринович, Ю.Б. Денкевич, С.А. Герловский // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2013. — № 2. — С. 29-34. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	В несущих конструкциях трещины в большинстве случаев относятся к категории недопустимых дефектов, особенно при динамических и циклических нагрузках. Показано, что повторяющаяся упругопластическая деформация (ПУПД) стальных пластин и труб с трещиной может приводить к возникновению в вершине трещины остаточных сжимающих напряжений, уменьшающих концентрацию напряжений и вероятность раскрытия трещины при приложении к ней растягивающих напряжений. Изложены результаты экспериментального и расчетного исследования влияния ПУПД на изменение остаточных напряжений в области трещины. Экспериментальное исследование выполнено на пластинах из малоуглеродистой низколегированной стали С345 200×30×5,5 мм с поверхностными односторонними микротрещинами раскрытием 3 и 5 мкм, радиусами закругления в вершине трещины 1,5 и 2,5 мкм соответственно, глубиной около 1 мм и длиной соответственно 16 и 18 мм, полученными по специальной технологии электрохимической обработкой. На машине Instron образцы периодически нагружались и после каждого нагружения разгружались. Кинетику деформации металла в области трещин непрерывно отслеживали с помощью тензорезисторов с базой 1 мм, наклеенных в области трещины и на основной металл. Выходы тензорезисторов подключались к разработанной в Институте прикладной физики НАН Беларуси многоканальной многофункциональной тензостанции. Расчетное моделирование выполнялось методом конечных элементов. Экспериментально и расчетным путем показано, что повторяющееся нагружение мате- риала с односторонней трещиной до напряжений вблизи предела пропорциональности для основного металла может приводить к возникновению в вершине трещины и в основном металле остаточных сжимающих напряжений. Это происходит за счет того, что при нагружении в вершине и на краях трещины возникают зоны текучести, в которых после разгрузки возникают остаточные сжимающие напряжения. Разгрузка приводит к тому, что основной металл сжимает трещину, создавая в корне остаточные напряжения сжатия. При оптимизации режимов прочность материала с трещиной может приближаться к прочности материала без трещины. Предлагаемый метод моделирования поведения металла в зоне трещины может быть использован для расчетного определения оптимальных режимов, наиболее легко реализуемых при испытаниях тонкостенных трубопроводов. In load-carrying structures a crack belongs to the category of inadmissible defects, particularly under dynamic and cyclic loads. It is shown that recurrent elasto-plastic deformations (REPD) of steel plates and pipes with a crack may lead to initiation in the crack tip of residual compressive stresses, reducing the stress concentration and the probability of crack opening at application of tensile stresses to it. Results of experimental and calculation-based investigations of REPD influence on the change of residual stresses in the vicinity of the crack are described. Experimental investigations were performed on plates from low-carbon steel S345 200x30x5.5 mm with surface one-sided microcracks with 3 and 5 ~m opening, rounding-off radii in the crack tip of 1.5 and 2.5 ~m, depth of about 1 mm and length of 16 and 18 mm, respectively, made by the special technology of electrochemical treatment. In Instron machine the samples were periodically and unloaded after each loading. Kinetics of metal deformation in the vicinity of the crack was traced continuously using strain gauges with 1 mm base, pasted in the vicinity of the crack and on the base metal. Strain gauge outputs were connected to multichannel multifunctional tensostation developed at the Institute of Applied Physics of the NAS of Belarus. Calculation modeling was performed by finite element method. It was proved experimentally and by calculations that recurrent loading of the material with a one-sided crack up to stresses close to proportionality limit for the base metal, can induce residual compressive stresses in the crack tip and in the base metal. It occurs due to appearance of yield zones in the crack tip and on its edges at loading, where residual compressive stresses develop after unloading. Unloading leads to base metal compressing the crack, thus inducing residual compressive stresses in the root. At mode optimization, the strength of material with a crack can be close to that of material without a crack. The proposed method of modeling metal behaviour in the crack zone can be used for calculation of optimum modes, the most readily implemented at testing of thin-walled pipelines.
first_indexed	2025-12-07T17:29:26Z
format	Article
fulltext	29ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2013 УДК 620.19.15 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В ТРЕЩИНЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЕЕ ПОВТОРЯЮЩЕГОСЯ НАГРУЖЕНИЯ В УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ В. Л. ВЕНГРИНОВИч, Ю. Б. ДЕНКЕВИч, С. А. ГЕРЛОВСКИй Институт прикладной физики НАН Беларуси, 220072, г. Минск, Академическая, 16, Беларусь. Е-mail: adcom@iaph.bas-net.by В несущих конструкциях трещины в большинстве случаев относятся к категории недопустимых дефектов, особенно при динамических и циклических нагрузках. Показано, что повторяющаяся упругопластическая деформация (ПУПД) стальных пластин и труб с трещиной может приводить к возникновению в вершине трещины остаточных сжимающих напряжений, уменьшающих концентрацию напряжений и вероятность раскрытия трещины при приложении к ней растягивающих напряжений. Изложены результаты экспериментального и расчетного исследования влияния ПУПД на изменение остаточных напряжений в области трещины. Экспериментальное исследование выполнено на пластинах из малоуглеродистой низколегированной стали С345 200×30×5,5 мм с поверхностными односторонними микротрещинами раскрытием 3 и 5 мкм, радиусами закругления в вершине трещины 1,5 и 2,5 мкм соответственно, глубиной около 1 мм и длиной соответственно 16 и 18 мм, полученными по специальной технологии электрохимической обработкой. На машине Instron образцы периодически нагружались и после каждого нагружения разгружались. Кинетику деформации металла в области трещин непрерывно отслеживали с помощью тензорезисторов с базой 1 мм, наклеенных в области трещины и на основной металл. Выходы тензорезисторов подключались к разработанной в Институте прикладной физики НАН Беларуси многоканальной многофункциональной тензостанции. Расчетное моделирование выполнялось методом конечных элементов. Экспериментально и расчетным путем показано, что повторяющееся нагружение мате- риала с односторонней трещиной до напряжений вблизи предела пропорциональности для основного металла может приводить к возникновению в вершине трещины и в основном металле остаточных сжимающих напряжений. Это происходит за счет того, что при нагружении в вершине и на краях трещины возникают зоны текучести, в которых после разгрузки возникают остаточные сжимающие напряжения. Разгрузка приводит к тому, что основной металл сжимает трещину, создавая в корне остаточные напряжения сжатия. При оптимизации режимов прочность материала с трещиной может приближаться к прочности материала без трещины. Предлагаемый метод моделирования поведения металла в зоне трещины может быть использован для расчетного определения оптимальных режимов, наиболее легко реализуемых при испытаниях тонкостенных трубопроводов. Библиогр. 8, рис. 12. К л ю ч е в ы е с л о в а : трещина, упругопластическая деформация, концентрация напряжений В несущих конструкциях трещина в большинстве случаев относится к категории недопустимых де- фектов, особенно при динамических и цикличе- ских нагрузках [1, 2]. Причинами возникновения трещины могут быть усталость, стресс-коррозия, приложенные напряжения, превышающие предел прочности материала в данном состоянии, оста- точные напряжения и др. Трещина в конструкции является источни- ком концентрации напряжений, как правило, в ее вершине [3, 4]. Для характеристики резкого снижения предельных прочностных характери- стик конструкционных материалов в результате возникновения трещины широко используют ха- рактеристики трещиностойкости, коэффициент интенсивности напряжений, предел усталости, предел прочности. Для повышения трещиностой- кости существуют различные технологические способы, которые чаще всего сводятся к уменьше- нию концентрации напряжений, в том числе в за- рождающихся трещинах: ультразвуковая обработ- ка, засверливание отверстий в вершине трещины, низкотемпературный отпуск, различного типа ло- вушки трещин, упругопластическая деформация труб внутренним давлением, известная как техно- логия «autofrettage» для толстостенных труб [5-7] или «stress-test» — для тонкостенных [8]. Технология «autofrettagе» широко используется для увеличения трещиностойкости толстостенных цилиндров [7]. При нагнетании внутреннего дав- ления в трубе возникает радиально неоднородная упругопластическая деформация и уменьшаются кольцевые напряжения в направлении от внутрен- него к наружному диаметрам. При достижении критерия текучести Мизеса–Хенки на внутрен- нем диаметре от него в направлении наружной поверхности трубы при дальнейшем увеличении давления распространяется зона пластического течения. На внутренних волокнах возникает пла- стическая деформация растяжения, приводящая к тому, что при последующем снятии давления на- ружные волокна, сжимаясь, вызывают остаточ- © В. Л. Венгринович, Ю. Б. Денкевич, С. А. Герловский, 2013 30 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2013 ные напряжения сжатия на внутренних, что и спо- собствует возникновению кольцевых напряжений сжатия на внутренней части трубы и повышению трещиностойкости. Количественные характери- стики режимов упрочнения этим способом хоро- шо известны [5-7], однако его применение ограни- чивается толстостенными цилиндрами. Ситуация с тонкостенными цилиндрами, обо- лочками и пластинами далеко не так однозначна, особенно при наличии трещины. На рис. 1, а по- казано рассчитанное по формулам, приведенным в работах [6, 7], радиальное распределение окруж- ных напряжений в стенке трубы 1220×20 мм при внутреннем давлении 10 МПа, достаточном для возникновения зоны упругопластической дефор- мации, на рис. 1, б это же распределение после снятия внутреннего давления. Возникающие на внутренних волокнах сжимающие напряжения не- значительны по величине и не могут существен- но влиять на прочностные характеристики тру- бы. Тем не менее, результат расчета показывает, что в принципе неоднородная упругопластиче- ская деформация пластичных конструкционных материалов может быть источником возникнове- ния остаточных напряжений сжатия, приводящих к снижению риска распространения трещины при воздействии на нее напряжениями растяже- ния. Возникает вопрос, можно ли повысить вли- яние этого эффекта в тонкостенных объектах. В настоящей статье изложены результаты экспери- ментального и расчетного исследования влияния повторяющейся упругопластической деформации стальных пластин на изменение остаточных на- пряжений в области трещины. Образцы и методика эксперимента. Для ис- следования поведения металла в области трещи- ны в лабораторных условиях были изготовлены два образца из малоуглеродистой низколегирован- ной стали С345 200×30×5,5 мм с поверхностными односторонними микротрещинами раскрытием 3 мкм (образец 1) и 5 мкм (образец 2), глубиной около 1 мм и длиной соответственно 16 и 18 мм, полученными по специальной технологии элек- трохимической обработкой (рис. 2). В образце 2 перед испытаниями на краю трещины было про- сверлено отверстие диаметром 1 мм и глубиной 2 мм, чтобы убрать резкий концентратор напряже- ний в вершине. Трещины выявлены методом цветной капил- лярной дефектоскопии. Предел текучести σy = = 345 МПа, предел прочности σd = 470 МПа. Хи- мический состав стали С345 к мас. %: до 0,12 C; 0,17…0,37 Si; 0,3…0,6 Mn; 0,3…0,6 Ni; до 0,04 S; 0,07…0,12 P; 0,5…0,8 Cr; до 0,012 N; 0,08…0,15 Al; 0,3…0,5 Cu. В ходе эксперимента на машине Instron об- разцы периодически нагружали и после каждо- го нагружения разгружали. Поведение дефектов непрерывно отслеживалось с помощью тензоре- зисторов с базой 1 мм, наклеенных в области тре- Рис. 1. Расчетное распределение по радиусу окружных напря- жений в трубе 1220×20 мм: а – при величине внутреннего дав- ления 10 МПа и при отсутствии пластического течения – кривая С; б – после снятия внутреннего давления Рис. 2. Образцы с поверхностными микротрещинами раскры- тием 3 (а) и 5 мм (б) для исследования поведения металла вблизи трещины Рис. 3. Расположение тензорезисторов на образцах 1 (а) и 2 (б) при проведении испытаний: 2А – основной металл; 2В – рядом с трещиной; 3А – над трещиной; 3В – над краем тре- щины; 4А – над просверленным отверстием 31ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2013 щины и на основной металл. Выходы тензорези- сторов подключали к разработанной в Институте проблем физики НАН Беларуси многоканальной многофункциональной тензостанции. Схема рас- положения тензорезисторов на образцах представ- лена на рис.3. На рис. 4 представлены результаты измерения деформации тензорезисторами в области трещи- ны при повторяющемся нагружении образца 1 до и выше предела текучести (в каждом цикле нагру- жения). На рис. 5 показана кривая нагружения — зависимость деформаций в области трещины от напряжения (отношения усилия к сечению образ- ца) при последовательном нагружении и разгруз- ке образца 1. На рис. 6 – деформации в области трещины при нагружении образца 2 до разрыва (в третьем цикле нагружения). На рис. 7 – кривые нагружения металла в различных зонах трещи- ны при последовательном нагружении образца 2. На рис. 8 – фото сечения образца 2 после разры- ва, на которой в верхней части видна поверхность трещины. Результаты экспериментов. На рис. 4–7 при- ведена информация о кинетике деформации в различных зонах образцов, деформируемых в упругопластической области. Как сказано выше, образцы 1 и 2 отличаются тем, что в первом тре- щина находится в своем естественном состо- янии в вершине, а во втором — в вершине сде- лано разгрузочное закругление радиусом 0,5 мм. Как видно из рис. 4–7, особенности деформации различных зон вблизи трещины принципиаль- но различаются. Образец 1 (рис. 4, 5): три цик- ла квазистатического нагружения. В первом ци- кле основной металл (диаграмма 2А) нагружается до предела текучести (ε ~0,2 %), что соответству- ет абсолютному удлинению ~2,0∙10–3 мм на базе 1 мм, а раскрытие трещины (3А) при этом опере- жает удлинение основного металла, причем, аб- солютное удлинение на базе 1 мм больше и со- ставляет ~2,5∙10–3 мм. Совместность деформаций трещины и основного металла обеспечивается тем, что превышение раскрытия трещины ком- пенсируется уменьшением деформации металла рядом с трещиной (2В), абсолютная величина по- следней не превышает ~1,0∙10–3 мм. Абсолютную деформацию в корне трещины (3В) оценить труд- но из-за неоднородности ее распределения в зоне установки миллиметрового тензодатчика (резуль- таты моделирования деформаций в различных зо- нах приведены ниже). Рис. 4. Деформации в области трещины при повторяющемся на- гружении образца 1 (условные обозначения те же, что и на рис. 3) Рис. 5. Зависимость деформаций в области трещины от на- пряжения (отношение усилия к сечению образца) при по- вторяющемся нагружении образца 1 (обозначения те же, что и на рис. 3) Рис. 6. Деформации в области трещины при циклическом нагружении образца 2 до разрыва (в третьем цикле нагру- жения): 2А - основной металл; 2В - основной металл с про- тивоположной стороны образца; 3А – рядом с трещиной; 3В – над трещиной; 4А – над отверстием Рис. 7. Зависимость деформаций в области трещины от напря- жения (отношение усилия к сечению образца) при циклическом нагружении образца 2 (обозначения те же, что и на рис. 6) 32 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2013 Медленная разгрузка образца приводит к воз- никновению в конечном итоге остаточных де- формаций, неодинаковых в разных зонах образца (рис. 5). При разгрузке скорость закрытия трещи- ны (рис. 4, наклон диаграммы 3А разгрузки) зна- чительно превышает скорость разгрузки основно- го металла 2А за пределами трещины; на каком-то этапе (ε ~0,12 %) деформации выравниваются, по- сле чего в основном металле согласно условию равновесия возникают остаточные деформации (и напряжения) растяжения, а в области трещины – сжатия (ясно, что первопричиной этого эффекта является неоднородность упругопластической де- формации в различных зонах образца при нагру- жении). Величину остаточной деформации сжатия можно определить путем рассмотрения соотноше- ния остаточных деформаций в различных зонах (рис. 5). Остаточная деформация в корне трещи- ны после первого цикла равна нулю (3В) или даже отрицательна, а деформация трещины (0,02 %) ниже деформации основного металла. Ясно, что разность этих деформаций (0,04 %) действует как давление, сжимающее трещину со стороны основного металла. Приблизительно можно оце- нить его величину, равную σ = Eε = 2,1∙105∙4∙10-4 ≈ ≈ 80 МПа. О правомочности приведенной оценки напряжения, возникающего в трещине, можно го- ворить только в применении к использованному в экспериментах образцу, в котором длина трещины составляет половину ширины образца. Чем мень- ше длина трещины, а зона пластического течения в корне больше, тем значительнее будет эффект сжатия или «упрочнения» трещины. На втором цикле максимальная деформация в основном металле была увеличена до ε ~0,45 % (см. рис. 4) и сопровождалась явно выраженным пластическим течением (рис. 5). При разгрузке описанный эффект образования остаточных де- формаций сжатия в основном металле стал еще более интенсивным, остаточная деформация в корне трещины незначительно увеличилась и со- ставила приблизительно 0,01 % (3В), деформация в основном металле 2А – 0,25 %, а деформация трещины 3А – 0,1 %. Сжимающее давление, ока- зываемое основным металлом на трещину, со- ставляет, следовательно, 0,15 %, а соответству- ющее напряжение сжатия примерно 300 МПа, благодаря которому возникает эффект «упрочне- ния» трещины. Таким образом, упрочнению тре- щины способствует нарастающая положительная разность между остаточной деформацией основ- ного металла и трещины. Возникает возможность реализации эффекта «упрочнения» трещины при ее повторном нагружении, своего рода режим «crack-train» — «тренинг для трещины». Однако уже на третьем этапе эффект «упроч- нения» не наблюдался, несмотря на значительную абсолютную величину деформации основного ме- талла при нагружении. По нашему мнению, это связано с предшествующим «упрочнением» тре- щины и задержкой по этой причине начала пла- стического течения металла в корне (как видно из рис. 5, оно вообще не возникает). Эффект упроч- нения отражается также и на величине напряже- ния разрушения, которое, как видно из сравнения рис. 5 и 7, для двух видов образцов примерно оди- наковое несмотря на устранение концентратора напряжений в образце 2. Образец 2 (рис. 6, 7): появление разгрузочно- го отверстия в вершине трещины существенно меняет характер неоднородности напряженно-де- формированного состояния. Наиболее значитель- ное неупругое поведение демонстрирует пара- метр раскрытия трещины (3В). Практически на всех этапах нагружения и разгрузки образца рас- крытие трещины превышает деформацию основ- ного металла. Деформации в разгрузочном отвер- стии (4А) и в основном металле (2В диаграммы для обеих сторон образца) выравниваются и ста- новятся близкими друг к другу, а раскрытие тре- щины 3В увеличивается вплоть до разрушения образца на третьем этапе. Разгрузочное отверстие способствует, таким образом, выравниванию де- формаций в разных зонах образца и нивелирова- нию эффекта «упрочнения» в корне. Наблюдается также значительное различие деформаций основ- ного металла в пластине со стороны трещины и с обратной стороны ( диаграммы 2А и 2В соот- ветственно). Со стороны трещины деформация основного металла остается все время ниже. Это различие возникает, чтобы обеспечить совмест- ность деформаций в различных зонах образца. численное моделирование. Численное мо- делирование осуществлялось с помощью метода конечных элементов. В качестве модели исполь- зовалась пластина с трещиной c параметрами, близкими к параметрам образцов, которые ис- пользовались при экспериментальном исследова- нии поведения трещин. Вычисления проводили с учетом возникновения зоны пластичности в ос- новном металле, на трещине и ее краях. При этом применялись условия текучести Треска (III теория прочности) и фон Мизеса (IV теория прочности). В качестве модели брали поверхностную тре- щину длиной 16 мм, глубиной 1 мм и раскрыти- ем 0,1 мм, расположенную в пластине с рабочим Рис. 8. Образец 2 после разрыва 33ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2013 сечением 40×4 мм. В качестве кривой напряже- ния–деформации при моделировании использова- ли экстраполированную кривую, полученную при испытаниях на образцах (рис. 9). На рис. 10 представлено использованное при расчетах разбиение фрагмента модели (1/4 симме- тричная часть области расчета) на конечные элемен- ты. Средние размеры элементов составляли 0,1 мм в области трещины и 1 мм – в остальной области. Общее количество элементов фрагмента составляло 49805, узлов – 74587. При расчетах модель «нагру- жали» таким образом, что напряжения в бездефек- тной части модели либо соответствовали напряже- ниям примерно 67 % предела текучести для этой стали, либо величине, равной пределу текучести. Для выбранной модели эти напряжения составляли примерно 200 и 300 МПа соответственно. На рис. 11, 12 показаны результат моделирова- ния кинетики деформации образца с трещиной. Представлено характерное расчетное распределе- ние напряжений в области трещины при последо- вательном нагружении до 200 МПа и снятии на- грузки. Как видно из рисунков, при нагружении Рис. 9. Экстраполированная кривая упругопластической де- формации, полученная экспериментально для образцов стали С345 (экспериментальные данные – кривая ОА) Рис. 10. Разбиение фрагмента модели на конечные элементы Рис. 11. Распределение напряжений в области трещины при нагружении (a – вид сверху; б – продольный разрез) и снятии нагрузки (в – вид сверху; г – продольный разрез) Рис. 12. Зависимость напряжений вблизи вершины трещины, края трещины и в бездефектной области от времени при на- гружении, имитирующем «стресс-тест» испытания: 1 – вер- шина трещины; 2 – край трещины; 3 – основной металл 34 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2013 в вершине и на краях трещины возникают зоны текучести, в которых после разгрузки возникают остаточные сжимающие напряжения. Это сопро- вождается тем, что при разгрузке уменьшение де- формации трещины в какой-то момент опережает снижение деформации основного металла. После- дующая разгрузка приводит к тому, что основной металл как-бы сжимает трещину, создавая в корне остаточные напряжения сжатия. Расчет показал, что при последующем нагружении до 200 МПа характер распределения напряжений под нагруз- кой и остаточных напряжений практически не меняется. Выводы Экспериментально и расчетным путем показано, что повторяющееся нагружение материала с од- носторонней трещиной до напряжений предела пропорциональности для основного металла мо- жет приводить к возникновению в вершине тре- щины и в основном металле остаточных сжима- ющих напряжений, уменьшающих концентрацию напряжений в корне трещины и вероятность рас- крытия трещины при приложении к ней растя- гивающих напряжений, своего рода «crack-train» – «тренинг для трещины». При оптимизации ре- жимов «crack-train» прочность материала с тре- щиной может приближаться к прочности матери- ала без трещины. Предлагаемый метод моделирования поведе- ния металла в зоне трещины может быть исполь- зован для расчетного определения оптимальных режимов «crack-train», наиболее легко реализуе- мых при «stress-test» испытаниях тонкостенных трубопроводов. Обычно достаточно одного-двух циклов нагру- жения при оптимальных режимах для достижения желаемого эффекта упрочнения. Последующие циклы нагружения, как правило, по крайней мере, не усиливают этого эффекта. Предварительное перед циклом «crack-train» снятие концентратора напряжений в вершине тре- щины путем засверливания в ней разгрузочных отверстий не способствует последующему про- явлению эффекта «упрочнения», который являет- ся результатом значительной пространственной неоднородности напряжений в области трещины при ее деформации растяжением. 1. Партон В. З., Борисковский В. Г. Динамика хрупкого раз- рушения. – М.: Машиностроение, 1988 – 240 c. 2. Н. Ф. Морозов, Петров Ю. В. Проблемы динамики раз- рушения твердых тел.– С.-Пб: Изд-во С.-Петербур. ун-та, 1997. – 132 c. 3. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения / Под ред. В. М. Сафрай.– М.: Наука, 1974. – 640 c. 4. Гольдштейн Р. В. Пластичность и разрушение твердых тел. - М.: Наука,1988. – 200 c. 5. Parker A. P. Autofrettage of open-end tubes - pressures, stresses,strains, and code comparisons // J. of pressure vessel technology. – 2001. – 123. – P. 271–277. 6. Majzoobi G. H., Farrahi G. H., Mahmoudi A. H. A finite ele- mentsimulation and an experimental study of autofrettage for strain hardenedthick-walled cylinders // J. Mater. Sci. Eng. A. – 2003. – 359. – P. 326–331. 7. Franklin G. J., Morrison J. L. M. Autofrettage of cylinders: predictionof pressure, external expansion curves and calcu- lation of residual stresses // Proc. of Institute of Mechanical Eng. – 1960.– 174. – P. 947–974. 8. Б. Н. Антипов, В. Н. Понамарев, А. С. Вятин. Технология испытаний для реабилитации магистральных газопрово- дов после ремонта // Экспозиция нефть–газ. – 2009. – №2. – С. 29–31. In load-carrying structures a crack belongs to the category of inadmissible defects, particularly under dynamic and cyclic loads. It is shown that recurrent elasto-plastic deformations (REPD) of steel plates and pipes with a crack may lead to initiation in the crack tip of residual compressive stresses, reducing the stress concentration and the probability of crack opening at application of tensile stresses to it. Results of experimental and calculation-based investigations of REPD influence on the change of residual stresses in the vicinity of the crack are described. Experimental investigations were performed on plates from low-carbon steel S345 200x30x5.5 mm with surface one-sided microcracks with 3 and 5 ~m opening, rounding-off radii in the crack tip of 1.5 and 2.5 ~m, depth of about 1 mm and length of 16 and 18 mm, respectively, made by the special technology of electrochemical treatment. In Instron machine the samples were periodically and unloaded after each loading. Kinetics of metal deformation in the vicinity of the crack was traced continuously using strain gauges with 1 mm base, pasted in the vicinity of the crack and on the base metal. Strain gauge outputs were connected to multichannel multifunctional tensostation developed at the Institute of Applied Physics of the NAS of Belarus. Calculation modeling was performed by finite element method. It was proved experimentally and by calculations that recurrent loading of the material with a one-sided crack up to stresses close to proportionality limit for the base metal, can induce residual compressive stresses in the crack tip and in the base metal. It occurs due to appearance of yield zones in the crack tip and on its edges at loading, where residual compressive stresses develop after unloading. Unloading leads to base metal compressing the crack, thus inducing residual compressive stresses in the root. At mode optimization, the strength of material with a crack can be close to that of material without a crack. The proposed method of modeling metal behaviour in the crack zone can be used for calculation of optimum modes, the most readily implemented at testing of thin-walled pipelines. K e y w o r d s : crack, elasto-plastic deformation, stress concentration Поступила в редакцию 17.01.2013
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101899
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T17:29:26Z
publishDate	2013
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format	dspace
spelling	Венгринович, В.Л. Денкевич, Ю.Б. Герловский, С.А. 2016-06-09T08:04:59Z 2016-06-09T08:04:59Z 2013 Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области / В.Л. Венгринович, Ю.Б. Денкевич, С.А. Герловский // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2013. — № 2. — С. 29-34. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101899 620.19.15 В несущих конструкциях трещины в большинстве случаев относятся к категории недопустимых дефектов, особенно при динамических и циклических нагрузках. Показано, что повторяющаяся упругопластическая деформация (ПУПД) стальных пластин и труб с трещиной может приводить к возникновению в вершине трещины остаточных сжимающих напряжений, уменьшающих концентрацию напряжений и вероятность раскрытия трещины при приложении к ней растягивающих напряжений. Изложены результаты экспериментального и расчетного исследования влияния ПУПД на изменение остаточных напряжений в области трещины. Экспериментальное исследование выполнено на пластинах из малоуглеродистой низколегированной стали С345 200×30×5,5 мм с поверхностными односторонними микротрещинами раскрытием 3 и 5 мкм, радиусами закругления в вершине трещины 1,5 и 2,5 мкм соответственно, глубиной около 1 мм и длиной соответственно 16 и 18 мм, полученными по специальной технологии электрохимической обработкой. На машине Instron образцы периодически нагружались и после каждого нагружения разгружались. Кинетику деформации металла в области трещин непрерывно отслеживали с помощью тензорезисторов с базой 1 мм, наклеенных в области трещины и на основной металл. Выходы тензорезисторов подключались к разработанной в Институте прикладной физики НАН Беларуси многоканальной многофункциональной тензостанции. Расчетное моделирование выполнялось методом конечных элементов. Экспериментально и расчетным путем показано, что повторяющееся нагружение мате- риала с односторонней трещиной до напряжений вблизи предела пропорциональности для основного металла может приводить к возникновению в вершине трещины и в основном металле остаточных сжимающих напряжений. Это происходит за счет того, что при нагружении в вершине и на краях трещины возникают зоны текучести, в которых после разгрузки возникают остаточные сжимающие напряжения. Разгрузка приводит к тому, что основной металл сжимает трещину, создавая в корне остаточные напряжения сжатия. При оптимизации режимов прочность материала с трещиной может приближаться к прочности материала без трещины. Предлагаемый метод моделирования поведения металла в зоне трещины может быть использован для расчетного определения оптимальных режимов, наиболее легко реализуемых при испытаниях тонкостенных трубопроводов. In load-carrying structures a crack belongs to the category of inadmissible defects, particularly under dynamic and cyclic loads. It is shown that recurrent elasto-plastic deformations (REPD) of steel plates and pipes with a crack may lead to initiation in the crack tip of residual compressive stresses, reducing the stress concentration and the probability of crack opening at application of tensile stresses to it. Results of experimental and calculation-based investigations of REPD influence on the change of residual stresses in the vicinity of the crack are described. Experimental investigations were performed on plates from low-carbon steel S345 200x30x5.5 mm with surface one-sided microcracks with 3 and 5 ~m opening, rounding-off radii in the crack tip of 1.5 and 2.5 ~m, depth of about 1 mm and length of 16 and 18 mm, respectively, made by the special technology of electrochemical treatment. In Instron machine the samples were periodically and unloaded after each loading. Kinetics of metal deformation in the vicinity of the crack was traced continuously using strain gauges with 1 mm base, pasted in the vicinity of the crack and on the base metal. Strain gauge outputs were connected to multichannel multifunctional tensostation developed at the Institute of Applied Physics of the NAS of Belarus. Calculation modeling was performed by finite element method. It was proved experimentally and by calculations that recurrent loading of the material with a one-sided crack up to stresses close to proportionality limit for the base metal, can induce residual compressive stresses in the crack tip and in the base metal. It occurs due to appearance of yield zones in the crack tip and on its edges at loading, where residual compressive stresses develop after unloading. Unloading leads to base metal compressing the crack, thus inducing residual compressive stresses in the root. At mode optimization, the strength of material with a crack can be close to that of material without a crack. The proposed method of modeling metal behaviour in the crack zone can be used for calculation of optimum modes, the most readily implemented at testing of thin-walled pipelines. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Техническая диагностика и неразрушающий контроль Научно-технический раздел Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области Investigation of residual deformations in the crack as a result of its repeated loading in the elasto-plastic region Article published earlier
spellingShingle	Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области Венгринович, В.Л. Денкевич, Ю.Б. Герловский, С.А. Научно-технический раздел
title	Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области
title_alt	Investigation of residual deformations in the crack as a result of its repeated loading in the elasto-plastic region
title_full	Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области
title_fullStr	Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области
title_full_unstemmed	Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области
title_short	Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области
title_sort	исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101899
work_keys_str_mv	AT vengrinovičvl issledovanieostatočnyhdeformaciivtreŝinevrezulʹtateeepovtorâûŝegosânagruženiâvuprugoplastičeskoioblasti AT denkevičûb issledovanieostatočnyhdeformaciivtreŝinevrezulʹtateeepovtorâûŝegosânagruženiâvuprugoplastičeskoioblasti AT gerlovskiisa issledovanieostatočnyhdeformaciivtreŝinevrezulʹtateeepovtorâûŝegosânagruženiâvuprugoplastičeskoioblasti AT vengrinovičvl investigationofresidualdeformationsinthecrackasaresultofitsrepeatedloadingintheelastoplasticregion AT denkevičûb investigationofresidualdeformationsinthecrackasaresultofitsrepeatedloadingintheelastoplasticregion AT gerlovskiisa investigationofresidualdeformationsinthecrackasaresultofitsrepeatedloadingintheelastoplasticregion

Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области

Репозитарії

Схожі ресурси