Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах
Запропонована теоретико-експериментальна модель росту втомної тріщини у водневовмісному середовищі. В її основу покладені закономірності вичерпання енергетичних запасів матеріалу за циклічного руйнування та впливу водневовмісного середовища на механічні характеристики матеріалу. За деформаційним під...
Saved in:
| Published in: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2010
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31765 |
| 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: | Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах / Я.Л. Іваницький, П.С. Кунь, С.Т. Штаюра, В.М. Мочульський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2010. — Т. 46, № 2. — С. 77-82. — Бібліогр.: 10 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31765 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Іваницький, Я.Л. Кунь, П.С. Штаюра, С.Т. Мочульський, В.М. 2012-03-17T22:04:15Z 2012-03-17T22:04:15Z 2010 Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах / Я.Л. Іваницький, П.С. Кунь, С.Т. Штаюра, В.М. Мочульський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2010. — Т. 46, № 2. — С. 77-82. — Бібліогр.: 10 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31765 Запропонована теоретико-експериментальна модель росту втомної тріщини у водневовмісному середовищі. В її основу покладені закономірності вичерпання енергетичних запасів матеріалу за циклічного руйнування та впливу водневовмісного середовища на механічні характеристики матеріалу. За деформаційним підходом механіки руйнування для визначення умов пружно-пластичного деформування матеріалу біля вершини тріщини отримано аналітичні залежності. Враховано ефекти закриття тріщини та асиметрію циклу навантаження. Оцінено взаємодію різних явищ, спричинених воднем, та їх загальний вплив на зміну швидкості росту втомної тріщини. Порівняно розрахункові значення швидкості росту втомної тріщини з експериментальними за різних умов для двох типів сталей. Предложена теоретико-експериментальная модель роста усталостной трещины в водородсодержащей среде. В основе модели – закономерности исчерпания энергетических запасов материала при циклическом разрушении и влияния водородсодержащей среды на механические характеристики материала. С помощью деформационного подхода механики разрушения для определения условий упруго-пластического деформирования материала около вершины трещины получены аналитические зависимости. При этом учтены эффекты закрытия трещины и асимметрия цикла нагрузки. Оценено взаимодействие разных явлений, вызванных водородом, и их совместное влияние на изменение скорости роста усталостной трещины. Расчетные значения скорости роста усталостной трещины сравнены с экспериментальными – в разных условиях для двух типов сталей. The theoretical-experimental calculation model of fatigue crack growth in hydrogen-containing environment is proposed. The regularities the exhausting of power supply of material under cyclic loading and the influence of hydrogen environment on mechanical characteristics of this material under static fracture form the basis of the model. The analytical dependences for determination of the conditions of elastic-plastic deformation of the material at the crack tip are given within the framework of the deformation approach of fracture mechanics. The effect of crack closure and load ratio of a cycle are thus taken into account. Interaction of various tendencies caused by the presence of hydrogen and their common influence on the change of fatigue crack growth rate is evaluated. Calculation values of fatigue crack growth rates are compared with the experimental data in different environments for two types of steels. uk Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України Фізико-хімічна механіка матеріалів Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах Theoretical-experimental approach to estimation of fatigue crack growth in hydrogenated materials Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах |
| spellingShingle |
Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах Іваницький, Я.Л. Кунь, П.С. Штаюра, С.Т. Мочульський, В.М. |
| title_short |
Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах |
| title_full |
Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах |
| title_fullStr |
Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах |
| title_full_unstemmed |
Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах |
| title_sort |
теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах |
| author |
Іваницький, Я.Л. Кунь, П.С. Штаюра, С.Т. Мочульський, В.М. |
| author_facet |
Іваницький, Я.Л. Кунь, П.С. Штаюра, С.Т. Мочульський, В.М. |
| publishDate |
2010 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Theoretical-experimental approach to estimation of fatigue crack growth in hydrogenated materials |
| description |
Запропонована теоретико-експериментальна модель росту втомної тріщини у водневовмісному середовищі. В її основу покладені закономірності вичерпання енергетичних запасів матеріалу за циклічного руйнування та впливу водневовмісного середовища на механічні характеристики матеріалу. За деформаційним підходом механіки руйнування для визначення умов пружно-пластичного деформування матеріалу біля вершини тріщини отримано аналітичні залежності. Враховано ефекти закриття тріщини та асиметрію циклу навантаження. Оцінено взаємодію різних явищ, спричинених воднем, та їх загальний вплив на зміну швидкості росту втомної тріщини. Порівняно розрахункові значення швидкості росту втомної тріщини з експериментальними за різних умов для двох типів сталей.
Предложена теоретико-експериментальная модель роста усталостной трещины в водородсодержащей среде. В основе модели – закономерности исчерпания энергетических запасов материала при циклическом разрушении и влияния водородсодержащей среды на механические характеристики материала. С помощью деформационного подхода механики разрушения для определения условий упруго-пластического деформирования материала около вершины трещины получены аналитические зависимости. При этом учтены эффекты закрытия трещины и асимметрия цикла нагрузки. Оценено взаимодействие разных явлений, вызванных водородом, и их совместное влияние на изменение скорости роста усталостной трещины. Расчетные значения скорости роста усталостной трещины сравнены с экспериментальными – в разных условиях для двух типов сталей.
The theoretical-experimental calculation model of fatigue crack growth in hydrogen-containing environment is proposed. The regularities the exhausting of power supply of material under cyclic loading and the influence of hydrogen environment on mechanical characteristics of this material under static fracture form the basis of the model. The analytical dependences for determination of the conditions of elastic-plastic deformation of the material at the crack tip are given within the framework of the deformation approach of fracture mechanics. The effect of crack closure and load ratio of a cycle are thus taken into account. Interaction of various tendencies caused by the presence of hydrogen and their common influence on the change of fatigue crack growth rate is evaluated. Calculation values of fatigue crack growth rates are compared with the experimental data in different environments for two types of steels.
|
| issn |
0430-6252 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31765 |
| citation_txt |
Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах / Я.Л. Іваницький, П.С. Кунь, С.Т. Штаюра, В.М. Мочульський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2010. — Т. 46, № 2. — С. 77-82. — Бібліогр.: 10 назв. — укp. |
| work_keys_str_mv |
AT ívanicʹkiiâl teoretikoeksperimentalʹniipídhíddoocínkivtomnogopoširennâtríŝinunavodnenihmateríalah AT kunʹps teoretikoeksperimentalʹniipídhíddoocínkivtomnogopoširennâtríŝinunavodnenihmateríalah AT štaûrast teoretikoeksperimentalʹniipídhíddoocínkivtomnogopoširennâtríŝinunavodnenihmateríalah AT močulʹsʹkiivm teoretikoeksperimentalʹniipídhíddoocínkivtomnogopoširennâtríŝinunavodnenihmateríalah AT ívanicʹkiiâl theoreticalexperimentalapproachtoestimationoffatiguecrackgrowthinhydrogenatedmaterials AT kunʹps theoreticalexperimentalapproachtoestimationoffatiguecrackgrowthinhydrogenatedmaterials AT štaûrast theoreticalexperimentalapproachtoestimationoffatiguecrackgrowthinhydrogenatedmaterials AT močulʹsʹkiivm theoreticalexperimentalapproachtoestimationoffatiguecrackgrowthinhydrogenatedmaterials |
| first_indexed |
2025-11-25T22:40:41Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:40:41Z |
| _version_ |
1850568779287756800 |
| fulltext |
77
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2010. – ¹ 2. – Physicochemical Mechanics of Materials
ТЕОРЕТИКО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ ПІДХІД ДО ОЦІНКИ
ВТОМНОГО ПОШИРЕННЯ ТРІЩИН У НАВОДНЕНИХ МАТЕРІАЛАХ
Я. Л. ІВАНИЦЬКИЙ, П. С. КУНЬ, С. Т. ШТАЮРА, В. М. МОЧУЛЬСЬКИЙ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Запропонована теоретико-експериментальна модель росту втомної тріщини у водневов-
місному середовищі. В її основу покладені закономірності вичерпання енергетичних запа-
сів матеріалу за циклічного руйнування та впливу водневовмісного середовища на меха-
нічні характеристики матеріалу. За деформаційним підходом механіки руйнування для ви-
значення умов пружно-пластичного деформування матеріалу біля вершини тріщини отри-
мано аналітичні залежності. Враховано ефекти закриття тріщини та асиметрію циклу на-
вантаження. Оцінено взаємодію різних явищ, спричинених воднем, та їх загальний вплив
на зміну швидкості росту втомної тріщини. Порівняно розрахункові значення швидкості
росту втомної тріщини з експериментальними за різних умов для двох типів сталей.
Ключові слова: пружно-пластичне тіло, втомна тріщина, водневовмісне середо-
вище, деформаційна модель, енергетичний критерій руйнування.
Довговічність елементів конструкцій, що працюють у водневовмісних
середовищах, оцінюють за кінетичними діаграмами втомного руйнування [1–
4], які уможливлюють дослідження росту втомної тріщини у відповідних екс-
плуатаційних умовах. Відомі моделі та методики [2–4] регламентують поря-
док побудови залежностей швидкості росту тріщини від коефіцієнта інтен-
сивності напружень (КІН). Внаслідок взаємодії водню з пластично деформо-
ваним металом змінюються пластичність та міцність [5], що впливає на де-
формування та руйнування. Оцінка опірності матеріалу руйнуванню з вико-
ристанням деформаційного критерію [3, 4] далеко неповна. Нижче спробуємо
врахувати комплексну дію водню на зміну міцнісних і деформаційних влас-
тивостей матеріалу за пружно-пластичного деформування та встановити ана-
літичну залежність для опису втомного руйнування матеріалу у водні.
Рис. 1. Fig. 1. Рис. 2. Fig. 2.
Рис. 1. Схема тіла з втомною тріщиною у водні.
Fig. 1. Chart of a body with a fatigue crack in hydrogen.
Рис. 2. Діаграми розтягу матеріалу на повітрі (1) та у водні (2).
Fig. 2. Stress-strain diagrams of material in air (1) and in hydrogen (2).
Контактна особа: Я. Л. ІВАНИЦЬКИЙ, e-mail: dep_12@ipm.lviv.ua
78
Формулювання задачі. Задано пружно-пластичне ізотропне тіло, яке по-
слаблене плоскою макротріщиною завдовжки l0 і перебуває в умовах дії газо-
подібного водневого середовища та циклічного навантаження зусиллями p си-
метрично відносно серединної площини тріщини (рис. 1). Для матеріалу тіла
встановлені базові механічні характеристики на повітрі (σ0 – усереднене мо-
дельне значення границі текучості; εc – критична деформація) та у водневому
середовищі (σ0H, εcH – відповідні значення за певної концентрації водню) (рис. 2).
Необхідно встановити залежність швидкості росту втомної тріщини від
фізико-механічних характеристик, що відтворюють умови сумісної дії сило-
вого параметра р та водневого середовища заданої концентрації.
Розрахункова модель. Для розв’язання поставленої задачі використаємо
підхід, запропонований для побудови діаграми втомного руйнування на осно-
ві співвідношення енергетичних параметрів, характерних матеріалу за цик-
лічного навантаження [6]. При цьому ґрунтуємось на припущеннях, які дають
можливість поширити концепції попередньої розрахункової моделі на водне-
ве середовище, зокрема, вважаємо, що водень змінює лише механічні харак-
теристики пружно-пластичного матеріалу (σ0,2; σВ; εс); закриття тріщини є ре-
зультат контакту пластично здеформованого матеріалу на берегах тріщини під
час її підростання; пружно-пластичний матеріал циклічно стабільний (енергія
руйнування, коли задане циклічне навантаження за кожен цикл, стала).
Розглянемо безмежну пластину із ідеального пружно-пластичного мате-
ріалу, яка послаблена автомодельною тріщиною і перебуває в газоподібному
водні за початкової його концентрації. Пластина піддана дії циклічних наван-
тажень, що змінюються від pmin до pmax упродовж одного циклу (рис. 3). По-
трібно визначити швидкість поширення тріщини у вигляді аналітичної залеж-
ності від заданих умов, ураховуючи ефекти реверсивного пластичного дефор-
мування, які супроводжують втомне руйнування.
Рис. 3. Fig. 3. Рис. 4. Fig. 4.
Рис. 3. Схематичне зображення зони передруйнування.
Fig. 3. Schematic presentation of the prefracture zone.
Рис. 4 . Утворення і розвиток петлі гістерезису.
Fig. 4. The formation and development of a hysteresis loop.
Швидкість поширення тріщини моделюємо швидкістю наближення роз-
рахункового елементa, орієнтованого симетрично відносно площини розта-
шування тріщини, до вершини тріщини крізь певну область передруйнуван-
ня, де він губить свою цілісність. Виділимо (рис. 3) три якісно відмінні ділян-
79
ки напружено-деформованого стану тіла під час дії на нього зовнішнього
циклічного навантаження. На ділянці I матеріал деформується пружно, ділян-
ка II є зоною незмінних пластичних деформацій, а ділянка III – циклічно
змінних (рис. 4). Очевидно, що руйнування розрахункового елемента почина-
ється лише за входження його в межі ділянки III, де ширина петлі гістерезису
стає ненульова і поциклово неперервно зростає. Тобто починається дисипація
енергії пластичних деформацій за один цикл та її поциклове нагромадження
до певного критичного значення під час руху елемента вершини тріщини.
Повністю елемент зруйнується після виходу із ділянки III. При цьому швид-
кість поширення втомної тріщини буде пропорційна до площі петлі гістере-
зису (рис. 4) та обернено пропорційна до повної енергії руйнування.
Зрозуміло, що в кожній з цих трьох умовних ділянок концентрація водню
зростатиме з наближенням розрахункового елемента до вершини тріщини. Під
час випробувань циліндричного зразка концентрація водню у шийці зразка та-
кож змінюється пропорційно до деформацій розтягу. Тут не розглядатимемо
механізм дифузії водню в зоні передруйнування, а лише враховуватимемо опо-
середкований і кінцевий його вплив на механічні характеристики матеріалу.
Відомо, що наводнювання змінює механічні властивості матеріалу і, як
правило, проявляється у збільшенні міцності та зменшенні пластичності [7]. З
одного боку, матеріал стає міцнішим, з іншого – крихкішим (рис. 2). В ре-
зультаті змінюються енергетичні його запаси, які повинні призвести до зміни
характеристик опірності руйнуванню. Спрогнозувати, як саме зміна цих двох
параметрів вплине на швидкість росту втомної тріщини в наводненому мате-
ріалі складно. Але оцінити цей вплив можна шляхом аналізу співвідношення
складників енергетичного балансу для розрахункового елемента, що рухаєть-
ся в зоні передруйнування зі швидкістю vH = dl/dN [6]. За аналогією з нена-
водненим матеріалом отримаємо вираз для швидкості росту тріщини у за-
гальному вигляді:
H
H
H H
f
c s
G
v
G G
∗
=
−
, (1)
де HcG , HsG , *
HfG – відповідно, повна енергії руйнування, статичні і питомі
циклічні складники. При цьому
H 0H Hc cG = σ ⋅ ε , H 0H maxsG = σ ⋅ ε ; (2)
(H)
H 0H max min
0
2 [ ( ) ( )]
pfl
fG x x dx∗ = σ ⋅ ε − ε∫ ; (3)
εmin, εmax – мінімальне і максимальне значення пластичної деформації розра-
хункового елемента в зоні циклічних деформацій впродовж одного циклу
навантаження; (H)
pfl – розмір циклічної пластичної зони.
Рівняння (1) можна звести до розгорнутого вигляду:
max
(H) max
H
maxH
H
(0) ( )2 ,
(0)1
p
c
c
Rv l
ε γ
=
εε −
ε
(4)
де
max
(H)
pl – розмір статичної пластичної зони:
max
(H)
pl ∼
0H
2−σ ; (5)
80
γ(R) – функція впливу асиметрії циклу навантаження (R = pmin/ pmax);
0( ) cos
2
mR Rπ⎛ ⎞γ ≈ γ ⎜ ⎟
⎝ ⎠
, (6)
γ0, m – інтерполяційні параметри:
3
0 (0) 4,069 10 , 4,128m−γ = γ = ⋅ = . (7)
З формули (4) видно, що швидкість росту втомної тріщини обернено
пропорційна параметрам σ0H і εcH. Але оскільки водень по-різному впливає на
їх зміну, то параметр 0Hσ зменшує швидкість, а εcH, навпаки, підвищує. Для
апробації формули на конкретних матеріалах її необхідно записати в коорди-
натах, звичних для експериментальної побудови кінетичних діаграм втомного
руйнування, тобто швидкості dl
dN
і КІН Kmax. З використанням відомого для
автомодельної тріщини зв’язку між деформаційними та силовим параметром
Kmax формула (4) набуде вигляду
4
max
2
HH
H 0 2
0H max
H
cos ,
4 2
1
cm c
c
K
KK
v R
K
K
⎛ ⎞
⎜ ⎟⎛ ⎞π π⎛ ⎞ ⎝ ⎠= γ ⎜ ⎟⎜ ⎟ σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ ⎞
− ⎜ ⎟
⎝ ⎠
(8)
де KcH – критичне значення Kmax за наявності водню.
За рівнянням (8) можна оцінити кількісний вплив водню із заданою
початковою концентрацією на трансформацію діаграми втомного руйнування
ненаводненого матеріалу (v0 ∼ Kmax). Іншими словами, швидкості поширення
тріщини у наводненому і ненаводненому середовищах за однаковості решти
умов пов’язані між собою співвідношенням
H max 0( , , )cv f K K v= α β ⋅ , (9)
де 0H 0α = σ σ ; Hc cK Kβ = ,
2
2 max
max 2 2
max
1 ( / )
( , , / )
( / )
c
c
c
K K
f K K
K K
− −
α β = α ⋅
β −
. (10)
Отже, існує точка перетину двох діаграм руйнування за умови max / cK K =
2 2(1 ( ) ) /(1 )= − α ⋅β − α , яка розмежовує дві області протилежного впливу вод-
ню на швидкість росту втомної тріщини: зліва від неї швидкість зменшується,
справа – зростає порівняно зі швидкістю тріщини у ненаводненому матеріалі.
Методика досліджень. Випробовували зразки зі сталей 08кп та
10Х15Н27Т3В2МР за силовими схемами одновісного циклічного розтягуван-
ня пластини з центральною тріщиною та триточкового згину балкового зразка.
Кінетичну діаграму втомного руйнування (КДВР) для сталі 08кп, навод-
неної у камері [8] впродовж 2 h при 200°С під тиском 0,2 МPа, будували на
машині EU-20 за сталих частоти і асиметрії знакопостійного циклу (f =10 Hc,
R = 0,3) [9]. При цьому реєстрували максимальне і мінімальне зусилля та ви-
мірювали довжину тріщини через кожні 4 000…5 000 cycles. За допомогою
відеокамери реєстрували поле переміщень біля вершини тріщини на ділянці
розміром 3×4 mm на поверхні зразка за максимального і мінімального циклів
навантаження. Далі встановлювали область пластичного деформування мате-
ріалу біля вершини тріщини впродовж періоду навантажування.
81
Параметри циклічної тріщиностійкості для аустенітно дисперснотвердкої
сталі 10Х15Н27Т3В2МР визначали на повітрі та у водні під тиском 10 MPa
при 293 K на балковому зразку розмірами L×b×t = 160×40×20 mm (L – відс-
тань між опорами; b – висота зразка; t – його товщина), за частоти наванта-
ження 20 Hz і коефіцієнта асиметрії циклу R = 0,2 [9].
Апробація та аналіз результатів. За результатами випробувань побудо-
вано КДВР сталі 08кп на повітрі та у водні. Дані, отримані на повітрі, задо-
вільно корелюють із відомими [9] на І та ІІ ділянках КДВР у діапазоні швид-
костей 5⋅10–9…9⋅10–7 m/cycle за невисоких та середніх рівнів розмаху КІН
(∆K= 10…30 MPa m ). Кінетика поширення тріщини у водні має свої особ-
ливості. Зокрема, за розмаху КІН менше ∆K= 10…12 MPa m вона знижу-
ється порівняно з повітрям. При цьому криві КДВР перетинаються в області
∆K = 12 MPa m і v = 2⋅10–8 m/cyсle. За вищих значень ∆K водень спричиняє
зростання швидкості росту тріщини порівняно з повітрям у всьому діапазоні
∆K аж до критичного значення КІН, яке знижується на 20%.
Рис. 5. Порівняння розрахункових (лінії) (a) та експериментальних (точки) (b) даних для
сталей 08кп при R = 0,3 та 10Х15Н27Т3В2МР при R = 0,2: 1 – на повітрі; 2 – у водні.
Fig. 5. Comparison of calculation (lines) (a) and experimental data (points) (b) for 08кп steels
at R = 0.3 and 10Х15Н27Т3В2МР steels at R = 0.2: 1 – in air; 2 – in hydrogen.
Оскільки до значного зниження характеристик пластичності та статичної
тріщиностійкості дисперснотвердких нержавних сталей призводить заздалегідь
введений у структуру водень [10], то для оцінки впливу розчиненого внаслідок
тривалої експлуатації водню на механічні властивості сталі 10Х15Н27Т3В2МР
частину зразків попередньо витримували впродовж 10 h у газоподібному вод-
ні при Т = 673 K, Р = 10 MPa, що забезпечило об’ємне насичення зразків до
концетрації C = 8 ррm (8⋅10–4 mass.%).
Значення КІН KС для сталі 10Х15Н27Т3В2МР за статичного навантажен-
ня прямокутного компaктного зразка розмірами 50×60×20 mm при 293 K у
водні за тиску 10 MPa становить 52 MPa m , а на повітрі 98 MPa m . Порого-
ва циклічна тріщиностійкість при 293 K знижується від 6,8 MPa m для нена-
воднених зразків на повітрі до 4,9 MPa m для наводнених і випробуваних у
водні під тиском 10 MPa. Механічні характеристики сталі за цих параметрів і
дії водню не змінюються: σ0,2 = 870 MPa, а σB =1270 MPa. На рис. 5 результа-
ти розрахунків за формулою (8) зіставлено з експериментальними даними, які
відтворюють специфіку впливу водню на різні матеріали.
82
ВИСНОВКИ
На основі енергетичного критерію розроблено реверсивно-деформаційну
модель втомного поширення тріщини в пружно-пластичному тілі за одновіс-
ного навантаження у водні. Побудовано аналітичну залежність між швидкіс-
тю поширення втомної тріщини та параметрами, що відображають властивос-
ті матеріалу, режим навантаження та кількісний внесок кожного з двох про-
тилежних напрямів впливу на механічні характеристики матеріалу. Підтвер-
джено неоднозначний вплив водню на зміну швидкості росту втомної тріщи-
ни та запропоновано метод його оцінки на поведінку втомної тріщини за екс-
периментальними залежностями характеристик міцності та пластичності ма-
теріалу від початкових значень концентрації водню.
РЕЗЮМЕ. Предложена теоретико-експериментальная модель роста усталостной тре-
щины в водородсодержащей среде. В основе модели – закономерности исчерпания энерге-
тических запасов материала при циклическом разрушении и влияния водородсодержащей
среды на механические характеристики материала. С помощью деформационного подхода
механики разрушения для определения условий упруго-пластического деформирования ма-
териала около вершины трещины получены аналитические зависимости. При этом учтены
эффекты закрытия трещины и асимметрия цикла нагрузки. Оценено взаимодействие разных
явлений, вызванных водородом, и их совместное влияние на изменение скорости роста ус-
талостной трещины. Расчетные значения скорости роста усталостной трещины сравнены с
экспериментальными – в разных условиях для двух типов сталей.
SUMMARY. The theoretical-experimental calculation model of fatigue crack growth in
hydrogen-containing environment is proposed. The regularities the exhausting of power supply
of material under cyclic loading and the influence of hydrogen environment on mechanical
characteristics of this material under static fracture form the basis of the model. The analytical
dependences for determination of the conditions of elastic-plastic deformation of the material at the
crack tip are given within the framework of the deformation approach of fracture mechanics. The
effect of crack closure and load ratio of a cycle are thus taken into account. Interaction of
various tendencies caused by the presence of hydrogen and their common influence on the
change of fatigue crack growth rate is evaluated. Calculation values of fatigue crack growth
rates are compared with the experimental data in different environments for two types of steels.
1. Панасюк В. В., Андрейкив А. Е., Харин В. С. Теоретический анализ роста трещин в метал-
лах при воздействии водорода // Физ.-хим. механика материалов. – 1981. – № 4. – С. 61–75.
2. Панасюк В. В., Андрейкив А. Е., Обухивский О. И. Расчетная модель роста трещины в
металлах при воздействии водорода // Там же. – 1984. – № 3. – С. 3–6.
3. Андрейкив А. Е., Голиян О. М. Докритический рост усталостных трещин в металлах
при воздействии водорода // Там же. – 1985. – № 4. – С. 5–8.
4. Андрійків О. Є., Рудавський Д. В. Розрахунок ресурсу елемента трубопроводу під
впливом водневого середовища // Там же. – 1999. – № 4. – С. 43–48.
5. Ткачов В. І. Механізм оборотного впливу водню на механічні властивості сталі // Там
же. – 1999. – № 4. – С. 29–37.
6. Кунь П. Реверсивно-деформаційна модель втомного поширення тріщин в пружно-
пластичних тілах // Машинознавство. – 2001. – № 4–5. – С. 42–45.
7. Андрейкив А. Е., Дарчук А. И. Усталостное разрушение и долговечность конструкций.
– К.: Наук. думка, 1992. –184 с.
8. Штаюра С. Т., Мольков Ю. В., Вергун І. А. Оцінка водневої деградації конструкційних
матеріалів за двовісного навантаження // Машинознавство. – 2008. – № 2. – С. 37–41.
9. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пос. в 4-х т. / О. Н. Романив,
С. Я. Ярема, Г. Н. Никифорчин и др. // Усталость и циклическая трещиностойкость
конструкционных материалов. – К.: Наук. думка, 1990. – Т. 4. – 680 с.
10. Андрейків О. Є., Никифорчин Г. М., Ткачов В. І. Міцність і руйнування металічних
матеріалів і елементів конструкцій у водневовмісних середовищах // Фізико-механіч-
ний інститут: Поступ і здобутки. – Львів, 2001. – С. 248–286.
Одержано 27.11.2009
|