Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности

Показано, что в процессе циклического нагружения на поверхности плакирующего слоя конструкционного алюминиевого сплава образуется и развивается деформационный рельеф (ДР). Количественные параметры ДР – насыщенность, шероховатость и пластическая деформация поверхности – являются индикаторами поврежде...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Фізико-хімічна механіка матеріалів
Datum:2011
Hauptverfasser: Ігнатович, С.Р., Юцкевич, С.С.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України 2011
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138232
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности / С.Р. Ігнатович , С.С. Юцкевич // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2011. — Т. 47, № 5. — С. 60-65. — Бібліогр.: 8 назв. — рус.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-138232
record_format dspace
spelling Ігнатович, С.Р.
Юцкевич, С.С.
2018-06-18T11:53:48Z
2018-06-18T11:53:48Z
2011
Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности / С.Р. Ігнатович , С.С. Юцкевич // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2011. — Т. 47, № 5. — С. 60-65. — Бібліогр.: 8 назв. — рус.
0430-6252
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138232
Показано, что в процессе циклического нагружения на поверхности плакирующего слоя конструкционного алюминиевого сплава образуется и развивается деформационный рельеф (ДР). Количественные параметры ДР – насыщенность, шероховатость и пластическая деформация поверхности – являются индикаторами поврежденности материала. Экспериментальные зависимости рассмотренных параметров от наработки (количества циклов нагружения) можно использовать при создании методов прогнозирования предельного состояния элементов конструкции самолета.
Показано, що під час циклічного навантажування на поверхні плакувального шару конструкційного алюмінієвого сплаву формується та розвивається деформаційний рельєф (ДР). Кількісні параметри ДР – насиченість, шорсткість та пластична деформація поверхні є індикаторами пошкодження матеріалу. Експериментальні залежності цих параметрів від напрацювання (кількості циклів навантаження) можна використати для створення методів прогнозування граничного стану елементів конструкції літака.
It is shown that during cyclic loading the deformation relief (DR) is formed and develops on the cladding surface of aluminum alloy structure. Quantitative parameters of DR are the saturation, roughness and plastic deformation of the surface and they are indicators of material fracture. Experimental dependences of the considered parameters versus the operating time (number of load cycles) can be used when creating the methods for prediction of the limiting state of aircraft structure elements.
ru
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
Фізико-хімічна механіка матеріалів
Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности
Контроль утоми сплаву Д16АТ за характеристиками деформаційного рельєфу поверхні
The fatigue damage control of Al-clad D16AT alloy by characteristics of surface deformation relief
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности
spellingShingle Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности
Ігнатович, С.Р.
Юцкевич, С.С.
title_short Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности
title_full Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности
title_fullStr Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности
title_full_unstemmed Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности
title_sort контроль усталости сплава д16ат по характеристикам деформационного рельефа поверхности
author Ігнатович, С.Р.
Юцкевич, С.С.
author_facet Ігнатович, С.Р.
Юцкевич, С.С.
publishDate 2011
language Russian
container_title Фізико-хімічна механіка матеріалів
publisher Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
format Article
title_alt Контроль утоми сплаву Д16АТ за характеристиками деформаційного рельєфу поверхні
The fatigue damage control of Al-clad D16AT alloy by characteristics of surface deformation relief
description Показано, что в процессе циклического нагружения на поверхности плакирующего слоя конструкционного алюминиевого сплава образуется и развивается деформационный рельеф (ДР). Количественные параметры ДР – насыщенность, шероховатость и пластическая деформация поверхности – являются индикаторами поврежденности материала. Экспериментальные зависимости рассмотренных параметров от наработки (количества циклов нагружения) можно использовать при создании методов прогнозирования предельного состояния элементов конструкции самолета. Показано, що під час циклічного навантажування на поверхні плакувального шару конструкційного алюмінієвого сплаву формується та розвивається деформаційний рельєф (ДР). Кількісні параметри ДР – насиченість, шорсткість та пластична деформація поверхні є індикаторами пошкодження матеріалу. Експериментальні залежності цих параметрів від напрацювання (кількості циклів навантаження) можна використати для створення методів прогнозування граничного стану елементів конструкції літака. It is shown that during cyclic loading the deformation relief (DR) is formed and develops on the cladding surface of aluminum alloy structure. Quantitative parameters of DR are the saturation, roughness and plastic deformation of the surface and they are indicators of material fracture. Experimental dependences of the considered parameters versus the operating time (number of load cycles) can be used when creating the methods for prediction of the limiting state of aircraft structure elements.
issn 0430-6252
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138232
citation_txt Контроль усталости сплава Д16АТ по характеристикам деформационного рельефа поверхности / С.Р. Ігнатович , С.С. Юцкевич // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2011. — Т. 47, № 5. — С. 60-65. — Бібліогр.: 8 назв. — рус.
work_keys_str_mv AT ígnatovičsr kontrolʹustalostisplavad16atpoharakteristikamdeformacionnogorelʹefapoverhnosti
AT ûckevičss kontrolʹustalostisplavad16atpoharakteristikamdeformacionnogorelʹefapoverhnosti
AT ígnatovičsr kontrolʹutomisplavud16atzaharakteristikamideformacíinogorelʹêfupoverhní
AT ûckevičss kontrolʹutomisplavud16atzaharakteristikamideformacíinogorelʹêfupoverhní
AT ígnatovičsr thefatiguedamagecontrolofalcladd16atalloybycharacteristicsofsurfacedeformationrelief
AT ûckevičss thefatiguedamagecontrolofalcladd16atalloybycharacteristicsofsurfacedeformationrelief
first_indexed 2025-11-24T23:49:08Z
last_indexed 2025-11-24T23:49:08Z
_version_ 1850500971928485888
fulltext 60 Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2011. – ¹ 5. – Physicochemical Mechanics of Materials КОНТРОЛЬ УСТАЛОСТИ СПЛАВА Д16АТ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ С. Р. ИГНАТОВИЧ, С. С. ЮЦКЕВИЧ Национальный авиационный университет, Киев Показано, что в процессе циклического нагружения на поверхности плакирующего слоя конструкционного алюминиевого сплава образуется и развивается деформаци- онный рельеф (ДР). Количественные параметры ДР – насыщенность, шероховатость и пластическая деформация поверхности – являются индикаторами поврежденности материала. Экспериментальные зависимости рассмотренных параметров от наработ- ки (количества циклов нагружения) можно использовать при создании методов про- гнозирования предельного состояния элементов конструкции самолета. Ключевые слова: деформационный рельеф, интерференционная профилометрия, усталость, параметры деформационного рельефа. Процессы повреждаемости при усталости металлов, связанные с формирова- нием и эволюцией дислокационной структуры, пластическим разрыхлением и микроразрушением, локализованы в поверхностном слое. Более интенсивное пластическое деформирование поверхности по сравнению с объемом материала позволяет трактовать поверхностный слой как самостоятельную функциональ- ную подсистему, которая определяет особенности локального пластического де- формирования и разрушения материала в целом [1]. Таким образом, поверхность может являться своеобразным индикатором накопленных повреждений, а оценка ее состояния рассматриваться как способ диагностирования усталостной повреж- денности и исчерпания несущей способности всей конструкции. Одно из перспективных направлений исследования пластического деформи- рования поверхности связано с разработкой методологии контроля технического состояния конструкций в эксплуатации. Сенсорные датчики (образцы-свидетели) в виде тонких пластин или пленок, выполненные из легко деформируемых мате- риалов (например, монокристаллического алюминия), наклеиваются на наиболее нагружаемые участки конструкции и воспринимают вместе с ней эксплуатацион- ные силовые воздействия [2]. История эксплуатационного нагружения контроли- руемого элемента конструкции, определяющая его поврежденность, проявляется в виде типичных следов локального пластического деформирования поверхности датчика – линий и полос скольжения, экструзий, интрузий и т.п. На поверхности формируется деформационный рельеф (ДР). В авиационных конструкциях в качестве материала используют листовые алюминиевые сплавы, покрытые тонким плакирующим слоем из технически чис- того алюминия. При нагружении ДР формируется непосредственно на поверхно- сти такого слоя и легко регистрируется оптическими средствами. Мониторинг исчерпания ресурса конструктивных элементов здесь можно осуществлять по критерию насыщенности ДР, равном относительной площади участка контроля, покрытой следами пластического деформирования [3]. Особенности этого метода изложены ранее [4, 5]. Количественная оценка ДР по его площади, т. е. в двухмер- ном (плоском) измерении, не является исчерпывающей. Необходимо исследовать Контактная особа: С. Р. ИГНАТОВИЧ, e-mail: ignatovich@nau.edu.ua 61 исследовать количественные показатели ДР в трехмерном измерении [6, 7]. Ниже изучены особенности формирования и эволюции ДР на поверхности плакирую- щего слоя при циклическом нагружении алюминиевого сплава. Материал и методика исследования. Плоские образцы из конструкцион- ного алюминиевого сплава Д16АТ циклически нагружали на сервогидравличес- кой установке BiSS Bi00-202V при отнулевом цикле (σmin = 0) с заданным значе- нием максимального напряжения σmax. Поверхность образцов в состоянии по- ставки покрыта плакирующим слоем из технически чистого алюминия толщиной 50 µm. В центральной части образца высверливали отверстие диаметром 4 mm, мо- делирующее отверстие под заклепку в конструкции обшивки самолета. Участок поверхности, примыкающий к отверстию, полировали алмазной пастой. При циклическом нагружении образцы периодически снимали с установки для контроля ДР, который осуществляли на площадке поверхности 225×170 µm, примыкающей к отверстию в зоне концентрации напряжений: на каждом образце четыре таких участка – по два с каждой его стороны. Участки плакирующего слоя на поверхности образцов исследовали с помощью интерференционного оп- тического нанопрофилометра [8], который регистрирует оптическое изображение поверхности со следами ДР, производит цифровую его обработку, а также опре- деляет 3D-топографию поверхности. При этом регистрировали насыщенность ДР, шероховатость и пластическую деформацию поверхности. Насыщенность ДР. На фотографиях, полученных с помощью оптического микроскопа, входящего в состав профилометра, ДР проявляется в виде темных участков (рис. 1а), соответствующих большей выпуклости рельефа поверхности, полученного с помощью профилометра (рис. 1b). Эти фотографии преобразовы- вали в монохромное (черно-белое) изображение, по которому в автоматическом режиме определяли суммарную площадь ДР (S). Для количественной оценки на- сыщенности ДР использовали формулу /D S A= , (1) где A – площадь исследуемого участка. Рис. 1. Цифровая фотография (×500) (а) и 3D-топография (b) участка поверхности со следами деформационного рельефа. Fig. 1. Digital photography (×500) (а) and 3D topography (b) of surface control zone with deformation relief (DR) marks. Шероховатость. Развитие ДР в направлении, нормальном к поверхности, ха- рактеризовали по изменению шероховатости Ra, которая равна усредненному от- клонению абсолютных значений профиля поверхности zi от средней линии (рис. 2а): 1 1 n a i i R z n = = ∑ , (2) где n – количество точек измерения профиля. Контролируемую площадку разбивали на 320 линий длиной 170 µm и вдоль каждой из них по формуле (2) определяли значение Rai (рис. 2b). Шероховатость на площадке вычисляли, усредняя значение Rai по всем линиям. Эволюцию шеро- 62 ховатости площадки при циклическом нагружении характеризовали приращени- ем параметра Ra: 0a aN aR R R∆ = − , (3) где Ra0 и RaN – шероховатость до (исходная) и после N циклов нагружения. Рис. 2. Схемы расчета шероховатости Ra вдоль і-ой линии (а) и на контролируемой площадке поверхности (b). Fig. 2. Calculation model for roughness, Ra, along the line (а) and on the surface control zone (b). Пластическая деформация. С изменением рельефа увеличивается площадь поверхности: 0NA A A∆ = − , (4) где A0, AN – площадь поверхности до и после N циклов нагружения. Для расчета площади поверхности проекцию контролируемого участка на плоскость x, y представляли в виде сетки из 320×240 узлов, каждому из которых соответствует значение высоты рельефа поверхности zi, определенной профилометром (рис. 3). Поверхность заменяли совокупностью треугольников, координаты вершин кото- рых соответствуют значениям zi. Площадь всей поверхности рассчитывали, сум- мируя площадь треугольников. По изменению площади определяли пластичес- кую деформацию поверхности: 0/a A Aε = ∆ . (5) Рис. 3. Расчет площади поверхности в исходном состоянии A0 (a) и после наработки AN (b). Fig. 3. Surface area calculation in the initial state, A0, (a) and after operating time cycles, AN, (b). Результаты и их обсуждение. Насыщенность ДР. Локальное микроплас- тическое деформирование поверхности плакирующего слоя начинается с первых циклов нагружения. Выявлены три стадии изменения насыщенности ДР при цик- лическом нагружении: на начальном этапе наработки скорость изменения пара- метра D (1) относительно небольшая, затем увеличивается интенсивность накоп- ления ДР с последующим уменьшением. Последний этап развития ДР – стабили- зация насыщения поверхностного микропластического деформирования. Для сопоставления результатов, полученных для пяти различных значений максимального напряжения в цикле (60 МPа; 80; 100; 130; 150), зависимости D от N привели к относительной наработке / fN N N= ; где N – текущее число цик- лов, а Ni – до появления на контролируемой площадке трещины длиной 0,5 mm. 63 Установлено, что изменение насыщенности ДР в зависимости от относительной наработки не зависит от действующих напряжений (рис. 4) и может быть описа- но степенной функцией 0,80,3656D N= . (6) Рис. 4. Зависимость насыщенности ДР от количества циклов нагружения до обра- зования трещины для различных значений σmax: – 60 МPа; – 80; – 100; – 130; – 150 МPа (R – коэффициент корреляции). Fig. 4. Dependence of DR saturation on a number of cycles to the crack formation for different stresses, σmax: – 60 МPа; – 80; – 100; – 130; – 150 МPа (R – correlation coefficient). Зависимость (6) свидетельствует, что насыщенность ДР является обобщен- ной характеристикой долговечности сплава Д16АТ до образования трещины. Независимо от действующих напряжений трещина зарождается при постоянном предельном значении насыщенности ДР * 0,366D ≅ (при 1N → ), что подтвер- ждает эффективность этой характеристики для прогнозирования долговечности сплава Д16АТ при усталости. Шероховатость. При циклическом нагружении ДР развивается не только в плоскости, но и в направлении, нормальном к поверхности образца. Шерохова- тость возрастает с увеличением числа циклов нагружения на порядок. Зависимос- ти относительного приращения шероховатости 0/a a aR R R∆ = ∆ от относительной наработки N для различных значений напряжения в цикле, представленные в двойных логарифмических координатах, имеют вид прямых линий с приблизи- тельно одинаковым углом наклона (рис. 5) и обобщаются функцией 4 0,9 max max7 10 ( 34)aR N−∆ = ⋅ σ σ − . (7) Рис. 5. Fig. 5. Рис. 6. Fig. 6. Рис. 5. Зависимости приращения шероховатости поверхности от количества циклов на- гружения до образования трещины для различных значений σmax (обозначения см. рис. 4). Fig. 5. Roughness increment vs a relative number of cycles to the crack formation for different stresses, σmax (designations as in Fig. 4). Рис. 6. Экспериментальные данные (точки) и рассчитанные по формуле (8) зависимости (линии) приращения шероховатости поверхности от насыщенности ДР при различных значениях σmax (обозначения см. рис. 4). Fig. 6. Roughness parameter increment versus DR saturation for experimental data (points) and calculated by the formula (8) relations (lines) for different applied stresses, σmax (designations as in Fig. 4). На основании эмпирических формул (6) и (7) получена зависимость, описы- 64 вающая развитие ДР на поверхности плакирующего слоя при циклическом на- гружении в трех измерениях – на плоскости (параметр D) и по нормали к поверх- ности (параметр aR∆ ): 3 1,125 max max2,17 10 ( 34)aR D−∆ = ⋅ σ σ − , (8) где 60 МРа ≤ σmax ≤ 150 МРа. Экспериментальная данные о развитии ДР при раз- личных напряжениях циклического нагружения свидетельствуют (рис. 6) об аде- кватности уравнения (8). Пластическая деформация поверхности. В процессе циклического нагру- жения возрастают площадь поверхности плакирующего слоя и ее необратимая деформация. Зависимости деформации εа от количества циклов нагружения аппроксимируются степенной функцией и существенно зависят от действующих напряжений (рис. 7). При напряжении σmax = 60...150 МРа пластическая деформа- ция изменяется на три порядка. Полученные результаты обобщает зависимость 6 2 0,96 max1,67 10a N−ε = ⋅ σ . (9) Рис. 7. Fig. 7. Рис. 8. Fig. 8. Рис. 7. Зависимости пластической деформации поверхности от количества циклов нагружения для различных напряжений σmax (обозначения см. рис. 4). Fig. 7. Plastic deformation of the surface vs relative number of cycles to the crack formation for different stresses, σmax (designations as in Fig. 4). Рис. 8. Сопоставление экспериментальных данных (точки) и расчетных значений (сплошная линия – расчет по формуле (11)) предельных значений пластической деформации и относительной шероховатости поверхности (до образования трещины длиной 0,5 mm) (обозначения см. рис. 4). Fig. 8. Comparison of the test data (points) and calculated values (solid line – calculated by Eq. (11) of plastic deformation limit value and relative surface roughness (to initiation of 0.5 mm fatigue crack) (designations as in Fig. 4). Исключив в выражениях (9) и (6) параметр N и определив σmax из (8), получим обобщенную зависимость пластической деформации поверхности от параметров D и aR∆ : 2 3 1,125 1,21,614 10 1 1 1,6a aR D D− −⎛ ⎞ε = ⋅ + + ⋅ ∆⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . (10) Затем, подставив в формулу (10) значение предельной насыщенности ДР D* ≅ 0,366, следующее из формулы (6) при 1N = , получим соотношение между критическими значениями параметров a ∗ε и aR∗∆ для момента образования уста- лостной трещины: 2 44,825 10 1 1 4,963a aR∗ − ∗⎛ ⎞ε = ⋅ + + ⋅ ∆⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . (11) 65 Следует отметить, что зависимость (11) построена на основании обобщения и аппроксимации экспериментальных данных по изменению параметров aε , D и aR∆ от циклической наработки, которые имеют естественный разброс значений. Поэтому для данной зависимости условие a ∗ε = 0 при 0aR∗∆ = не является опреде- ляющим. Зависимость (11) хорошо согласуется с экспериментальными значения- ми параметров a ∗ε и aR∗∆ , которые соответствуют образованию усталостной тре- щины (рис. 8), что свидетельствует о ее адекватности. ВЫВОДЫ При циклическом нагружении на поверхности плакирующего слоя сплава Д16АТ формируется и развивается ДР. С увеличением количества циклов нагру- жения растет площадь поверхности со следами ДР, что сопровождается возраста- нием ее шероховатости и пластической деформации. Зарождению усталостной трещины соответствует значение насыщенности ДР D* ≅ 0,366, которое не зави- сит от уровня приложенного напряжения. Момент образования усталостной тре- щины определяется также предельными значениями пластической деформации a ∗ε и параметра шероховатости aR∗∆ поверхности. Зависимость между этими пре- дельными величинами ДР является инвариантной по отношению к максимально- му напряжению в цикле нагружения. РЕЗЮМЕ. Показано, що під час циклічного навантажування на поверхні плакуваль- ного шару конструкційного алюмінієвого сплаву формується та розвивається деформацій- ний рельєф (ДР). Кількісні параметри ДР – насиченість, шорсткість та пластична дефор- мація поверхні є індикаторами пошкодження матеріалу. Експериментальні залежності цих параметрів від напрацювання (кількості циклів навантаження) можна використати для створення методів прогнозування граничного стану елементів конструкції літака. SUMMARY. It is shown that during cyclic loading the deformation relief (DR) is formed and develops on the cladding surface of aluminum alloy structure. Quantitative parameters of DR are the saturation, roughness and plastic deformation of the surface and they are indicators of material fracture. Experimental dependences of the considered parameters versus the opera- ting time (number of load cycles) can be used when creating the methods for prediction of the limiting state of aircraft structure elements. 1. Панин В. Е., Панин А. В. Эффект поверхностного слоя в деформируемом твердом теле // Физическая мезомеханика. – 2005. – 8, № 5. – С. 7–15. 2. Zasimchuk E. E., Radchenko A. I., and Karuskevich M. V. Single-crystals as an indicator of fatigue damage // Fatigue Fract. Enggn. Mater. Struct. – 1992. – 15, № 12. – P. 1281–1283. 3. Ignatovich S. R., Karuskevich M. V., and Karuskevich O. M. UR, Patent № 29683 (2008). 4. Ignatovich S., Karuskevich M., and Maslak T. Computer aided optical method for aircraft’s components fatigue life estimation // Book of Abstr. and Proceed. of 17th Eur. Conf. on Fracture: 2008, Brno, Czech Republic (on CD ROM). – P. 2308–2313. 5. Estimation of the accumulated fatigue damage by saturation and fractal dimension of the de- formation relief / M. V. Karuskevich, E. Yu. Korchuk, A. S. Yakushenko, and T. Maslak // Str. Mater. – 2008. – 40, № 6. – P. 693–698. 6. Эволюция деформационного рельефа плакированного слоя алюминиевого сплава Д16АТ при усталости / С. Р. Игнатович, М. В. Карускевич, Т. П. Маслак, С. С. Юцке- вич // Пр. Міжнар. НТК “Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи його діагностування і прогнозування, 21–24 вересня 2009. – Тернопіль: Терноп. держ. техн. ун-т, 2009. – С. 47–53. 7. Деформационный рельеф поверхности как показатель усталостной поврежденности авиационных сплавов на основе алюминия / С. Р. Игнатович, М. В. Карускевич, Т. П. Маслак, С. С. Юцкевич // Сб. материалов Третьей междунар. конф. “Деформация и разрушение материалов и наноматериалов”, Москва, 12–15 окт. 2009. – М.: Интер- контакт. Наука, 2009. – Т. 1. – С. 53–54. 8. http://www.nau.edu.ua/en/Science/GotoviRozrobky/MicronAlpha/ Получено 17.03.2011