Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины

На основе экспериментальных данных показано, что различие между макро- и микроскоростью роста усталостной трещины на втором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения обусловлено закрытием трещины в пределах его наличия. Установлены зависимости между макро- и микроскоростью роста уста...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Проблемы прочности
Date:	2002
Main Author:	Пиняк, И.С.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2002
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46732
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:	Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины / И.С. Пиняк // Проблемы прочности. — 2002. — № 1. — С. 88-101. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859847971238051840
author	Пиняк, И.С.
author_facet	Пиняк, И.С.
citation_txt	Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины / И.С. Пиняк // Проблемы прочности. — 2002. — № 1. — С. 88-101. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Проблемы прочности
description	На основе экспериментальных данных показано, что различие между макро- и микроскоростью роста усталостной трещины на втором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения обусловлено закрытием трещины в пределах его наличия. Установлены зависимости между макро- и микроскоростью роста усталостной трещины, а также структурой материала на втором участке при разных асимметриях цикла нагружения с учетом влияния закрытия трещины. Создана методика экспертизы разрушения конструкционных материалов по микро- и макроскорости роста усталостной трещины. На основі експериментальних даних показано, що розбіжність між макро- та мікрошвидкістю росту втомної тріщини на другій ділянці кінетичної діаграми втомного руйнування викликана явищем закриття тріщини в межах його наявності. Встановлено залежності між макро- та мікрошвидкістю росту втомної тріщини, а також структурою матеріалу на другій ділянці за різних асиметрій циклу навантаження з урахуванням впливу закриття тріщини. Створена методика експертизи руйнування конструкційних матеріалів за мікро- та макрошвидкістю росту втомної тріщини. On the basis of experimental results, we demonstrate that the disagreement of the macro- and microrates of fatigue crack propagation in the second portion of the fatigue-crack growth diagram is due to crack closure within the region of its presence. Relationships between macroand microrates of fatigue crack propagation and the material structure within the second portion of the curve under various load ratios have been established with account for the influence of crack closure. A procedure is proposed for the expertise of fracture of structural materials according to micro- and macrorates of fatigue crack propagation.
first_indexed	2025-12-07T15:39:22Z
format	Article
fulltext	УДК 539.4:620.184.6:620.191.33:658.518 Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины И. С. П иняк Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина На основе экспериментальных данных показано, что различие между макро- и микро скоростью роста усталостной трещины на втором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения обусловлено закрытием трещины в пределах его наличия. Уста новлены зависимости между макро- и микроскоростью роста усталостной трещины, а также структурой материала на втором участке при разных асимметриях цикла нагру жения с учетом влияния закрытия трещины. Создана методика экспертизы разрушения конструкционных материалов по микро- и макроскорости роста усталостной трещины. К л ю ч е в ы е с л о в а : макро- и микроскорость роста усталостной трещины, плато, шаг бороздки, закрытие трещины, асимметрия цикла. О б о з н а ч е н и я йа / йМ - скорость роста усталостной трещины (РУТ) (йа / йМ )пд - скорость РУТ на втором участке кинетической в цикле АК = К тах — К т ;п; А К к - номинальный размах КИН в цикле при одной и разных асимметриях Я Я , Л * К кк тіп ,к £ , £ II, е//-Я тах диаграммы усталостного разрушения (КДУР) при разных асимметриях цикла коэффициенты асимметрии цикла нагружения при наличии и отсутствии закрытия трещины (ЗТ) соответственно шаг усталостной бороздки (расстояние между серединами соседних выступов или впадин), ее шаг на втором участке КДУР при разных асимметриях Я , Я * цикла минимальный и максимальный коэффициенты интенсивности напряжений (КИН) в цикле соответственно КИН раскрытия и закрытия трещины характеристика закрытия трещины в цикле А К е// = ДК - Д К % Д К Л , Д К А.е//, Д К / сі.іЬ эффективный размах КИН в цикле соответственно пороговый и пороговые эффективный, критический эффективный размахи КИН в цикле © И. С. ПИНЯК, 2002 88 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 1 Микроскопическая и макроскопическая скорости ... AK fci о, AK jc i , AK jci r - критический эффективный размах КИН в цикле соответственно при нулевой, единичной и разных асимметриях цикла нагружения AK jcci r - критический эффективный пороговый размах КИН в цикле при разных асимметриях A K effi - 2 ,AK!_2 r ,AK2_з r - эффективный размах КИН и размахи КИН в цикле , соответствующие началу и концу второго участка КДУР при разных асимметриях цикла C i,С2 ,«1,«2 - характеристики материала f - частота нагружения образца lz - размер зерна mz - количество бороздок усталости в зерне A K p - характеристика ЗТ в цикле, определяемая механизмом Элбера AK °x+Yrg - характеристика ЗТ в цикле, определяемая окислами и шероховатостью на поверхности излома Введение. Развитие количественной фрактографии позволило устано вить зависимость особенностей рельефа поверхности излома от параметров нагружения и характеристик циклической трещиностойкости. Вместе с тем появилась возможность прогнозирования характеристик трещиностойкости по микростроению рельефа поверхности излома для случаев разрушения элементов конструкций при эксплуатации. Экспертиза разрушения включает в себя микрофрактографический ана лиз рельефа поверхности излома, т.е. определение шага усталостных бороз док [1-7], являющихся наиболее информативной характеристикой микро рельефа усталостных изломов. Представляет также интерес установление аналитической связи (путем сопоставления) между макроскоростью, кине тикой роста усталостной трещины (параметрами циклической трещиностой кости, определенными экспериментально) [8 , 9] и так называемой микро скоростью, определяемой путем измерения расстояния между соседними бороздками (шага бороздок) в изломе. Результаты таких исследований, приведенные в работах [6 , 7, 10-17], иллюстрируют линейные (в логарифмических координатах на втором участ ке КДУР) экспериментальные зависимости макроскопической скорости da / d N и шага бороздок S от номинального размаха коэффициента интен сивности напряжений A K , которые часто пересекаются в области значения_7 скорости da / d N = 10 м/цикл. Указанные зависимости свидетельствуют об усилении несоответствия между макро- и микроскоростью распространения трещины в низко- и высокоамплитудной области кинетической диаграммы усталостного разрушения соответственно по мере снижения и повышения AK. На начальной стадии роста трещины микроскорость, как правило, пре вышает макроскорость, тогда как в высокоамплитудной области имеет место обратная связь. В области пересечения этих зависимостей фиксируется ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 1 89 И. С. Пиняк удовлетворительное соответствие наблюдаемых в изломе бороздок с числом циклов нагружения [15]. Удовлетворительная корреляция между шагом бо роздок и макроскоростью в достаточно широком интервале скоростей отме чена в следующих работах: в [12] для алюминиевых сплавов 7075-Т6 и 2024-Т3 он составляет 4-10—8 ...10—6 м/цикл; в [6 , 13] для низкоуглеродис тых сталей (0,03...0,05%С) - 10_7...2 -10—6 м/цикл. Обзор исследований интервалов соответствия между макро- и микроскоростью РУТ сделан в работе [16]. В [17] показан сложный характер зависимости йа / йШ и Б от КИН К тах. Установлено, что макро- и микроскорости РУТ близки между собой в интервале 8 -10_7 ...4 -10—6 м/цикл. Ниже йа / йШ = 8-10—7 м/цикл и до на чала второго участка КДУР шаг бороздок практически постоянен, тогда как на первом участке отмечается уменьшение межбороздчатых расстояний по мере снижения К тах. Исследования стали 12Г2А [10] убедительно подтверждают, что макро- и микроскорости РУТ зависят от коэффициента асимметрии цикла нагру жения Я. Так, при Я = 0 и 0,5 зависимости шага бороздок в изломе и макроскорости РУТ от размаха КИН ДК представлены в виде пересека ющихся линий (особенности образования таких областей пересечения отме чены в работе [15]). При симметричном растяжении-сжатии (Я = — 1) ско рость РУТ, определенная микрофрактографическим методом, адекватна ско рости, измеренной на боковой поверхности образца. В [14] установлено хорошее соответствие между значениями макро- и микроскорости РУТ в титановом сплаве при частоте нагружения 20 Гц, при снижении частоты до 0,2 Гц эти значения отличаются. В работе [18] на примере алюминиевого сплава 2024-Т3 и стали М50 (0,13%С) показано, что с уменьшением частоты нагружения увеличиваются межбороздчатые расстояния. Там же получена экспериментальная зависи мость шага бороздок Б от размаха КИН ДК и частоты / нагружения. В [19] предложена зависимость шага бороздок Б от эффективного размаха КИН Д К е̂ , учитывающего величину среднего напряжения посред ством некоторой функции коэффициента асимметрии Я цикла нагружения Д К еГ/ = (0,5 + 0,4Я)ДК. Указанная зависимость характеризуется меньшим разбросом экспериментальных данных по сравнению с зависимостью Б — Д К . Функциональные связи Б и Д К е̂ при разных частотах нагруже ния, хотя и зависят от последних, все же находятся в одной полосе разброса зависимостей Б — Д К [15, 19]. Шаг бороздок Б связан с Д К е̂ степенным соотношением типа Б = В ( Д К е1Г \ Е ( 1) где В , р - константы; Е - модуль упругости. Однако достоверность опреде ления эффективного размаха КИН Д К е^ в границах наличия закрытия трещины [19] низкая из-за отсутствия методики текущего раскрытия вер 90 1ББШ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 1 Микроскопическая и макроскопическая скорости . шины трещины. В связи с этим расширяется полоса разброса зависимостей Б — А К р и уменьшается интервал совпадения макро- и микроскорости РУТ. Согласно известным данным [1-3, 6 , 7, 15-24], для определенного класса материалов и условий испытаний существует интервал скоростей РУТ, в котором происходит формирование одной бороздки за цикл нагру жения. Таким интервалом можно считать область значений скоростей РУТ от 10—8 до 10—6 м/цикл [7, 12, 15, 16, 22-24]. Важным представляется тот факт [15, 25], что для различных классов металлических материалов и условий испытаний область наилучшей корреляции между макро- и микро-_7 скоростью находится в области значения скорости 10 м/цикл, т.е. на среднем участке КДУР. Именно при этой скорости отмечается совпадение макро- и микроскорости РУТ [26]. В работах [16, 22] обобщенная зависимость Б от А К, совмещенная с КДУР, показана в виде Б-образной кривой. Она имеет плато (горизонталь ный участок, параллельный оси абсцисс) в области низких и высоких скоростей РУТ. Между плато лежит область совпадения макро- и микро скорости РУТ. Начало интервала совпадения обозначено пороговыми раз махом КИН А К 5 и скоростью (d a / d N ) 8, которая чаще всего близка к —7скорости da / d N = 10 м/цикл - “точки вращения” [16, 25]. Автор работы [27] принял наибольший КИН К при скорости РУТ,* _7 равной (d a / d N ) = 10 м/цикл, и описал средний участок КДУР выраже нием КК тах da / d N = (d a / d N ) , (2 ) где п - характеристика материала. % По мнению авторов [15, 27], параметр К приобретает физический смысл КИН, по достижении которого за один цикл нагружения образуется % одна бороздка в изломе. Если К тах < К , то для подрастания трещины на расстояние, соответствующее шагу бороздки, требуется более одного цикла% нагружения. При К тах > К формирование одной бороздки может происхо дить за время, равное или меньше одного цикла, что сопровождается ускоре нием распространения усталостной трещины. Момент такого ускорения роста трещины для различных материалов и структурных состояний опреде- ляется разными значениями параметра К , который таким образом стано вится структурно-чувствительной характеристикой циклической трещино- стойкости материала. Наблюдаемое при К тах > К несоответствие между числом циклов нагружения и количеством бороздок в изломе, по мнению ряда исследователей, обусловлено реализацией наряду с бороздками микро механизмов разрушения статического типа (сколов, ямочного отрыва, рас слоений по плоскости скольжения). В работе [16] отмечается, что при больших скоростях развития тре щины (в области высоких значений АК) несоответствие между макро- и микроскоростью РУТ связано с действием механизмов статического разру ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 1 91 И. С. Пиняк шения, приводящих к появлению ямок, фасеток скола, фасеток межзерен- ного разрушения. Кроме того, РУТ может ускоряться вследствие хрупкого разрушения, вызванного образованием микротрещин на частицах [4], или в результате выпрямления фронта [26]. При низких скоростях РУТ (в области низких значений АК) причины несоответствия не столь однозначны и могут быть связаны с влиянием среды, структуры материала, геометрии образца и фронта трещины, с разрешающей способностью электронного микроскопа, с дискретностью процесса роста трещины, с механизмом образования бо роздок. Проанализировав исследования разных авторов, возникает следующий вопрос: “Какова же истинная причина несоответствия между макро- и микроскоростью РУТ на втором участке КДУР”. Для ответа на этот вопрос воспользуемся работами [28-32]. Здесь важным является тот факт, что для различного класса металлических мате риалов и условий испытаний в пределах, определяемых экспериментально, от критического эффективного порогового размаха КИН АК с л к до крити ческого эффективного размаха КИН АКуу к присутствует явление закрытия вершины усталостной трещины в каждом цикле нагружения до уровня КИН К ор, соответствующего началу полного раскрытия трещины по толщине образца. Учет влияния закрытия трещины, выраженного через эффективный размах КИН А К еу и определяемого методом измерения текущего (непре рывного) раскрытия вершины трещины [30], позволяет ответить на постав ленный вопрос. В связи с этим в настоящей работе предпринята попытка установить зависимость между макро- и микроскоростью роста усталостной трещины на втором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения с учетом влияния закрытия вершины усталостной трещины. О причинах несоответствия между макро- и микроскоростью роста усталостной трещ ины на втором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения. Для различных металлических материалов и условий испытаний в работах [28-30] и на рис. 1 показано, что если номинальный размах КИН АК в цикле находится в пределах АК уу л я > АК > АК с д , то явление закрытия-раскрытия (смыкание-раз мыкание) трещины в цикле отсутствует и не оказывает влияния на скорость РУТ. Однако при А К > А К у > А К у с1Ль,к имеет место закрытие-откры тие трещины и оказывает влияние на скорость РУТ. Поэтому в указанном диапазоне нагрузок необходима оценка кинетики РУТ с помощью эффектив ного размаха КИН А К еу (вместо номинального АК) , который стимулирует скорость роста усталостной трещины в верхней части растягивающей поло вины цикла нагружения, учитывает влияние закрытия трещины [28] и опре деляется как разность А К у = АК -А К О Р . (3) В нижней части растягивающей половины цикла нагружения усталост ная трещина остается закрытой, а ее характеристика закрытия АКСр опреде ляется как разность [29]: 92 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 1 Микроскопическая и макроскопическая скорости AK°cf = K ор - K min. (4) Таким образом, эффективный размах КИН AKef при заданном номи нальном размахе КИН AK будет в основном зависеть от характеристики закрытия трещины A K 0 . da / d N , м/цикл Рис. 1. Зависимость скорости роста усталостной трещины da / dN от АК (1, 3, 5), АК^т (2, 4) для стали 30Ь-1 при комнатной температуре и различной асимметрии цикла: 1, 2 - Я = 0,1; 3, 4 - Я = 0,6; 5 - Я = 0,7; 6 - момент исчезновения закрытия трещины при исследованных асимметриях цикла Я (соответствует АК^ я ); 7 - начало второго участка КДУР при разных асимметриях Я (соответствует А К ^ я ) , при эффективном размахе КИН АК^т (соответ ствует АК^т 1-2) и его конец (соответствует АК2_3 Я). Можно предположить, что экспериментально полученная зависимость характеристики ЗТ АК°р от номинального размаха КИН АК (рис. 2) отобра жает и обобщает учет влияния действующих механизмов закрытия вершины усталостной трещины (шероховатость, окислы и фреттинг-коррозия на по верхностях излома, размер циклической пластической зоны в вершине уста лостной трещины с пластическим потоком вдоль ее берегов) на кинетику ее роста в материале (рис. 1). При этом оказывается, что закрытие трещины представляет собой “запас” циклической трещиностойкости материала, ко торый позволяет (в пределах наличия явления смыкания-размыкания тре щины) процессу разрушения протекать одинаково, независимо от асиммет рии цикла нагружения и других факторов (А вт .), а зависимость АК°р _ АК выступает в роли измерения этого запаса. Подтверждением сказанному является инвариантность КДУР в пределах наличия закрытия трещины (см. рис. 1 и работы [28-30]). ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 1 93 И. С. Пиняк ЛХ°Ор, МП^л/м 5 10 15 20 25 ЛК, МПал/м а Л К °Л , мпал/М 5 10 15 20 25 30 Л К , МПал/м б Рис. 2. Зависимость характеристики закрытия трещины ЛК0 от номинального размаха КИН ЛК для сталей 30Ь-1 (а) и Б9Н (б) при Т = 293 К, частоте нагружения / = 15 Гц и различной асимметрии цикла: 1 - Я = 0,1; 2 - Я = 0,6; 3 - Я = 0,7; 4 - Я = 0,65; 5 - Я = 0,75. Кроме того, необходимо отметить, что среди механизмов закрытия трещины главная роль в обеспечении инвариантности эффективных КДУР к разным факторам на втором и третьем (при наличии эффекта ЗТ) участках принадлежит механизму Элбера - размер циклической пластической зоны в вершине усталостной трещины с пластическим потоком вдоль ее берегов. Для исследованных ранее [28, 29] сталей Б9И и 30Ь-1 на рис. 3 схема тически показано, что в каждом цикле нагружения до N і+х при КИН К тах имеет место только механизм Элбера. Он представляет собой лишь реаль ную (не идеальную, которая присуща идеальной трещине, т.е. острый надрез нулевой ширины) пластическую зону в вершине трещины, на которую воздействует неразрушенная часть сечения. Пластический поток отсутст вует, но затем появляется снова в цикле и вместе с другими механизмами ЗТ закрывает вершину трещины при значениях КИН от К сі до К ор. В N і+х цикле нагружения пластический поток (наличие на берегах реальной уста 94 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 1 Микроскопическая и макроскопическая скорости ... лостной трещины пластически деформированного материала, увеличенного в размерах по сравнению с исходным недеформированным материалом) окончательно переходит в реальную пластическую зону в вершине трещины при равенстве КИН раскрытия вершины трещины К ор и минимального К т1п (при критических эффективном размахе КИН А К ^ л и эффективном пороговом размахе КИН А К ^ ^ л , нижней и верхней границе роста тре щины при наличии эффекта закрытия трещины). После наступления равен ства КИН К ор = К т1п трещина в цикле остается постоянно раскрытой, а пластический поток вдоль ее берегов отсутствует. Существует только реаль ная пластическая зона в вершине усталостной трещины. Рис. 3. Модель поведения пластического потока в исследованных сталях 30Ь-1 и Б9И. При исследовании трубной стали 17ГС разных модификаций такого перехода не наблюдается, по-видимому, из-за образования при высоких значениях номинального размаха КИН АК (ближе к критическому значению размаха КИН АК^с) вдоль магистральной трещины множества коротких трещин. Следствием существования у вершин коротких трещин реальных пластических зон, видимо, является образование общего пластического по тока вдоль магистральной трещины (присутствует практически до разруше ния образца), который ее закрывает и не позволяет корректно определить критический размах КИН А К ус. Это явление требует тщательного изучения с помощью методики измерения текущего раскрытия вершины усталостной трещины. Зависимости АК°р — АК (рис. 2) иллюстрируют поведение характе ристики закрытия трещины АК°р , которая отсутствует (А К 0 = 0) при кри тическом эффективном размахе КИН А К ^ л : для стали 30Ь-1 при Л = 0,1 и 0,6, для стали Б9И при Л = 0,1; 0,6 и 0,65. Для указанных сталей при * Л = 0,7 и 0,75 закрытие трещины в цикле исчезает уже на пороге трещино- стойкости при А К с 1ЛЪ л (рис. 1, [30]), и тогда А К 0 = 0, а К ор = К т1п (на оси абсцисс рис. 2 прямая линия). т ы 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 1 95 К тах, МПал/м Д = 0 г , с И. С. Пиняк По-видимому, закрытие трещины (в пределах его наличия) оказывает существенное влияние на макро- и микроскорости роста усталостной тре щины на втором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения (рис. 1, 2). Значит, можно предположить, что бороздка усталости Б будет образовываться в цикле N только под влиянием эффективного размаха КИН А К е// • При нагрузке АК°р (трещина закрыта) бороздка усталости не разви вается. В связи с этим можно заключить, что появление противоречивых высказываний [1-27] относительно различия между макро- и микроскоро стью РУТ на втором участке КДУР обусловлено неучетом границ наличия закрытия трещины от критического эффективного порогового размаха КИН А К у с1 (кк до критического эффективного размаха КИН А К ус! д (рис. 1) и зависимости характеристики закрытия трещины АК°р от номинального размаха КИН АК (рис. 2). Зависимость АК°р — АК свидетельствует о влия нии закрытия трещины на кинетику РУТ и позволяет определять постоянно изменяющийся эффективный размах КИН А К еу (3) вплоть до момента исчезновения закрытия трещины АК с д . Границы наличия закрытия тре щины и зависимости АК°р — АК определяются с помощью созданной мето дики измерения текущего раскрытия вершины трещины, частично описан ной в [30]. Таким образом, плато в области низких скоростей РУТ на зависимости Б — А К , совмещенной с КДУР [16, 22], есть не что иное как отражение влияния явления закрытия трещины на кинетику РУТ. Учет этого влияния через характеристику трещиностойкости А К еуу , определенную по методу текущего раскрытия вершины трещины, позволяет достоверно описать это плато и расширить область соответствия макро- и микроскорости роста усталостной трещины на втором участке КДУР вплоть до характеристики А К уа д . Совпадение макро- и микроскорости РУТ показано на рис. 1 сплош ными линиями при разных асимметриях цикла. Выше уровня нагрузки А К а д , когда закрытие трещины отсутствует, бороздка усталости образуется в цикле уже под воздействием номинального размаха КИН А К . Момент развития трещины под воздействием величины АК дает возможность сформировать одну бороздку усталости за время, равное одному циклу нагружения. Следует полагать, что за один цикл нагружения образуется одна бороздка усталости в изломе вплоть до конца второго участка КДУР. Однако возможно и несоответствие между макро- и микроскоростью РУТ, обусловленное появлением механизмов статического типа (фасеток скола и межзеренного разрушения, ямочного отрыва, рас слоений по плоскостям скольжения). Влияние механизмов такого типа, а также ряд других причин [4, 15, 16, 22, 26] приведут к несоответствию между макро- и микроскоростью РУТ или образованию плато в области высоких скоростей РУТ на зависимости Б — А К , совмещенной с КДУР (на рис. 1 штрихпунктирная линия). 96 /БОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 1 Микроскопическая и макроскопическая скорости Зависимость между макро- и микроскоростью роста усталостной трещ ины на втором участке КДУР при разны х асимметриях цикла нагружения с учетом влияния закры тия трещ ины . На основе изложен ного выше можно заключить, что макро- и микроскорости роста усталост ной трещины на втором участке КДУР будут совпадать при разных асим метриях цикла нагружения (могут быть и другие факторы), если кинетику РУТ оценивать с помощью эффективного размаха КИН Д К до верхней границы роста трещины при наличии явления ее смыкания-размыкания. Согласно работам [31, 32] и рис. 1, скорости РУТ будут равны: С 1ДКЯ2 Б И,в// —Я = ( йа / )п,Я = П2—П1 при Д К 1—2,Я - Д К Я - Д К 2—3,Я . (5) Д К /е1 ,Я Зависимость эффективного размаха КИН Д К е̂ от номинального раз маха КИН Д К я на втором участке КДУР при разных асимметриях цикла в пределах наличия закрытия трещины описывается выражением [32] д к Я2 п при Д К 1—2,Я - Д К Я — Д К /е1 Я . (6 ) Д К М Я Взаимосвязь между структурой материала, макро- и микроскоро стью роста усталостной трещ ины на втором участке КДУР при разных асимметриях цикла нагружения с учетом влияния закры тия трещ ины. Структура поликристаллического материала характеризуется размером зер на. В зависимости от микроскорости РУТ в зерне размером \ 2 могут образовываться бороздки шг , т.е. размер зерна определяется соотношением К = Бш2 . (7) Согласно уравнению (5), размер зерна связан с микро- и макро ско ростью РУТ при разных асимметриях цикла в пределах наличия закрытия трещины зависимостью с 1а к Я 2 Ь = ----- П2—ШТ при Д К 1—2,я - д к я - Д К 2—3,я . (8) д к псс1 Я Экспертиза разрушения конструкционных материалов по макро- и микроскорости РУТ. Предлагается следующая схема проведения экспер тизы (на примере разных коэффициентов асимметрии цикла нагружения): 1) определение кинетики РУТ в материале при пульсирующем цикле (Я = 0) нагружения по методике измерения текущего раскрытия вершины трещины [30]. Нахождение характеристик трещиностойкости (Д К гА 0Я; 1ББШ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 1 91 И. С. Пиняк А К іН,е//; А К е//,1—2 ; А К !_2,0Д ; А К 2-3,0Я ; А К /с,0Я ; ^ Ь ЛЬ л 2; А К /с1,0Я; А К # с і іь х ) по КДУР согласно работам [8 , 9, 28-32]. Сведение характеристик трещиностойкости в таблицу; 2 ) микрофрактографический анализ рельефа поверхности разрушения элемента конструкции и изломов исследованных образцов по бороздкам усталости Б . Сопоставление макро- и микроскорости РУТ. При условии совпадения скоростей РУТ на втором участке КДУР можно заключить, что разрушение элемента конструкции произошло при пульсирующем цикле (Я = 0). Если скорости совпали до определенной ширины бороздки Б#сі хЯ при АК с хк , необходимо определиться с асимметрией Я х цикла, при кото рой произошло разрушение элемента конструкции; 3) установление момента исчезновения закрытия трещины при асим метрии Я х . Согласно работе [32], на отдельном компактном образце, зная АК #с1 ок и повышая ступенчато асимметрию цикла, находим АК #сі к для каждого коэффициента асимметрии цикла нагружения Я. При сопостав лении характеристики А К ^ к с АК #сі хК определим истинное значение последней, а также асимметрию Я х , при которой произошло разрушение элемента конструкции; 4) определение кинетики РУТ в экспертном материале при асимметрии цикла нагружения Я х и запись ее в координатах ^ da / d N — ^ А К ; 5) микрофрактографический анализ излома отдельного компактного образца. Сопоставление микроскорости РУТ в таком образце после вели чины АК с хк с макроскоростью РУТ, определенной в соответствии с п. 4); 6) по ширине последней бороздки усталости Б хк при асимметрии Я х (размере зерна \2) и по зависимостям (5), (8) находим размах КИН АКх, при котором произошло разрушение элемента конструкции. Заключение. Причиной кажущегося несоответствия между макро- и микроскоростью роста усталостной трещины на втором участке КДУР слу жит наличие явления смыкания-размыкания трещины, оцениваемое изменя ющимся во времени амплитудным значением характеристики закрытия тре щины А К 0 . Влияние закрытия трещины на кинетику РУТ (в пределах его наличия) выражается эффективным размахом КИН А К # , определяемым по методике измерения текущего раскрытия вершины трещины. Размах КИН А К е# позволяет расширить область совпадения микро- и макроскорости РУТ как минимум до критического эффективного размаха КИН АК с к . Определена зависимость между структурой материала, микро- и макро скоростью РУТ на втором участке КДУР с учетом влияния асимметрии цикла нагружения и явления закрытия трещины. Разработана методика экспертизы разрушения конструкционных мате риалов по микро- и макроскорости РУТ Р е з ю м е На основі експериментальних даних показано, що розбіжність між макро- та мікрошвидкістю росту втомної тріщини на другій ділянці кінетичної діа грами втомного руйнування викликана явищем закриття тріщини в межах 98 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 1 Микроскопическая и макроскопическая скорости його наявності. Встановлено залежності між макро- та мікрошвидкістю росту втомної тріщини, а також структурою матеріалу на другій ділянці за різних асиметрій циклу навантаження з урахуванням впливу закриття трі щини. Створена методика експертизи руйнування конструкційних матері алів за мікро- та макрошвидкістю росту втомної тріщини. 1. M eyn D . A . Observations on micromechenisms of fatigue crack propagation in 2024 aluminium // Trans. ASM, J. Basic Eng. - 1968. - 61, No. 1. - P. 42 - 51. 2. B each em C. D . a n d P e llo u x R. M . N . Electron fractography - a tool for the study of micromechenisms of fracturing processes // ASTM STP 381. - 1965. - P. 210 - 244. 3. B ro ek D . Some contributions of electron fractography to the theory of fracture // Int. Met. Rev. - 1974. - No. 19. - P. 135 - 182. 4. P ello u x R. M . Fractographic analysis of the influence of constituent partides of fatigue crack propagation in aluminum alloys // Trans. ASME. - 1964. - 57, No. 2. - P. 511 - 519. 5. Р ом ан и в О. H., Ш ур Е. А ., Ткач А. Н . Кинетика и механизм роста усталостной трещины в железе // Физ.-хим. механика материалов. - 1981. - № 2. - С. 57 - 6 6 . 6 . С т епаненко В. А., К р а со вск и й А. Я . Микроструктурные особенности усталостного разрушения малоуглеродистой стали // Пробл. прочности. - 1974. - № 7. - С. 52 - 54. 7. К р а со вск и й А. Я ., О ст аш О. П ., С т епаненко В. А ., Я р ем а С. Я . Влияние низких температур на скорость и микрофрактографические особенности развития усталостной трещины низкоуглеродистой стали // Там же. - 1977. - № 4. - С. 74 - 79. 8 . М ет о д ы 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. 9. М ехани ка катастроф. Определение характеристик трещиностойкости конструкционных материалов: Методические рекомендации / Под ред. К. В. Фролова. - М.: МИБ СТС, 1995. - 359 с. 10. K o c a n d a S., S a d o w sk i J. Korelacyjne badania predkosci zmeczniowego pekania w elementach za stali o prodwyzszonej wytrczymalosci 12G2A // Arch. Bud. Maszyn. - 1977. - 24, No. 2. - S. 239 - 263. 11. H e ise r F. A. a n d H e r tzb e rg R. W. Anisotropy of fatigue crack propagation // Trans. ASME, J. Basic Eng. - 1971. - 93, No 6 . - P. 211 - 217. 12. B ro ek D . The effect of intermetallic particles on fatigue crack propagation in aluminium alloys // II Int. Congress Fract., Brighten. - 1969, Session V. - 61 p. ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 1 99 И. С. Пиняк 13. T aira S. a n d Tanaka K . Microscopic study of fatigue crack propagation // Int. Conf., 1971, Society of Materials Science, Japan. - 1972. - Vol. 2. - P. 48 - 58. 14. M o o d y N. R. a n d H erb erich W. W. Influence of frequency and microstructure on fatigue crack growth in Ti-6A l-6V -2Sn // J. Mater. Sci. - 1980. - 14, No. 3. - P. 95 - 100. 15. Р ом ан и в О. H., Зим а Ю . В. Количественная микрофрактография уста лостного разрушения металлов и сплавов // Стандартизация фракто- графического метода оценки скорости усталостного разрушения метал лов. Вып. 5 / Под. ред. О. Н. Романива. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - С. 6 - 30. 16. Б от ви на Л . Р ., Л ы м аръ Л . В., Л о зо вск и й В. Н . К вопросу об оценке длительности роста трещины по ширине усталостных бороздок // Стан дартизация фрактографического метода оценки скорости усталостного разрушения металлов. Вып. 5 / Под ред. О. Н. Романива. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - С. 38 - 54. 17. Б от ви на Л . Р ., Я р е м а С. Я ., Г реч к о В. В., Л ы м аръ Л . В . Кинетика усталостного разрушения титанового сплава ВТ3-1 // Физ.-хим. меха ника материалов. - 1981. - № 6 . - С. 39 - 45. 18. Y okobori T. a n d K iy o sh i S. The effect of frequency on fatigue crack propagation rate and striation spacing in 2024-T3 aluminum alloy and SM-50 steel // Eng. Fract. Mech. - 1976. - 8 , No. 1. - P. 81 - 8 8 . 19. H e r tzb e rg R. W. a n d E u w E. F. J. Crack closure end fatigue striations in 2024-T3 aluminum alloy // Met. Trans. - 1973. - 4, No. 3. - P. 887 - 889. 20. Е ким енков Л . H . Определение скорости развития усталостных трещин методом количественной фрактографии // Стандартизация фрактогра фического метода оценки скорости усталостного разрушения металлов. Вып. 5 / Под ред. О. Н. Романива. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - С. 67 - 73. 21. С т епаненко В. А . Фрактография и кинетика усталости конструкци онных материалов // Стандартизация фрактографического метода оценки скорости усталостного разрушения металлов. Вып. 5 / Под. ред. О. Н. Романива. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - С. 73 - 85. 22. M P -1 8 9 -8 6 . Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Метод оценки сопротивления металлических материалов усталостному разрушению по шагу усталостных бороздок. - М.: ВНИИНмаш, 1986. - 36 с. 23. Б от ви на Л . Р . Кинетика разрушения конструкционных материалов. - М.: Наука, 1989. - 231 с. 24. K ra so w sk y A. J. a n d T ot L. Material characterization for the reliability assessment of cyclically loaded engineering structures / Ed. R. A. Smith. - London: Kluwer Academic Publishers, NATO ASY Series High Technol ogy, 1997. - 39. - P. 165 - 223. 100 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 1 Микроскопическая и макроскопическая скорости 25. Tanaka K ., M a su d e C., a n d N ish iy iam a S. The generalised relationship between the parameters C and m of Paris law for fatigue crack growth // Scr. Met. - 1981. - 15, No. 3. - P. 259 - 264. 26. M ille r G. A . Fatigue fracture appearance and the kinetics of striation formation in some high-strength steels // Trans. Quart., ASME. - 1969. - 62, No. 3. - P. 651 - 658. 27. Я р е м а С. Я . О корреляции параметров уравнения Пэриса и характерис тик циклической трещиностойкости материалов // Пробл. прочности. - 1981. - № 9. - С. 20 - 28. 28. П иняк И. С. Текущее значение раскрытия вершины трещины усталости как экспериментально обоснованный критерий ее роста // Там же. - 1998. - № 1. - С. 25 - 33. 29. П иняк И. С. Влияние закрытия трещины на определяемые характе ристики циклической трещиностойкости сталей // Там же. - № 2. - С. 161 - 171. 30. П іняк I. С. Вплив явища закриття вістря втомної тріщини на асиметрію циклу навантаження та пороги тріщиностійкості // Там же. - 2000. - № 6 . - С. 106 - 114. 31. П иняк И. С. О достоверном уравнении второго участка кинетической диаграммы усталостного разрушения // Там же. - 1999. - № 3. - С. 83 - 87. 32. П іняк I. С. Рівняння другої ділянки кінетичної діаграми втомного руй нування за різних додатніх асиметрій циклу навантаження // Там же. - 2000. - № 2. - С. 75 - 80. Поступила 10. 11. 99 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 1 101
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46732
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0556-171X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:39:22Z
publishDate	2002
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
record_format	dspace
spelling	Пиняк, И.С. 2013-07-06T13:54:38Z 2013-07-06T13:54:38Z 2002 Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины / И.С. Пиняк // Проблемы прочности. — 2002. — № 1. — С. 88-101. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46732 539.4:620.184.6:620.191.33:658.518 На основе экспериментальных данных показано, что различие между макро- и микроскоростью роста усталостной трещины на втором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения обусловлено закрытием трещины в пределах его наличия. Установлены зависимости между макро- и микроскоростью роста усталостной трещины, а также структурой материала на втором участке при разных асимметриях цикла нагружения с учетом влияния закрытия трещины. Создана методика экспертизы разрушения конструкционных материалов по микро- и макроскорости роста усталостной трещины. На основі експериментальних даних показано, що розбіжність між макро- та мікрошвидкістю росту втомної тріщини на другій ділянці кінетичної діаграми втомного руйнування викликана явищем закриття тріщини в межах його наявності. Встановлено залежності між макро- та мікрошвидкістю росту втомної тріщини, а також структурою матеріалу на другій ділянці за різних асиметрій циклу навантаження з урахуванням впливу закриття тріщини. Створена методика експертизи руйнування конструкційних матеріалів за мікро- та макрошвидкістю росту втомної тріщини. On the basis of experimental results, we demonstrate that the disagreement of the macro- and microrates of fatigue crack propagation in the second portion of the fatigue-crack growth diagram is due to crack closure within the region of its presence. Relationships between macroand microrates of fatigue crack propagation and the material structure within the second portion of the curve under various load ratios have been established with account for the influence of crack closure. A procedure is proposed for the expertise of fracture of structural materials according to micro- and macrorates of fatigue crack propagation. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины Micro- and Macrorates of Fatigue Crack Propagation in Steels and Alloys under the Influence of Crack Closure Article published earlier
spellingShingle	Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины Пиняк, И.С. Научно-технический раздел
title	Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины
title_alt	Micro- and Macrorates of Fatigue Crack Propagation in Steels and Alloys under the Influence of Crack Closure
title_full	Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины
title_fullStr	Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины
title_full_unstemmed	Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины
title_short	Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины
title_sort	микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46732
work_keys_str_mv	AT pinâkis mikroimakroskorostʹrostaustalostnoitreŝinyvstalâhisplavahpodvliâniemzakrytiâtreŝiny AT pinâkis microandmacroratesoffatiguecrackpropagationinsteelsandalloysundertheinfluenceofcrackclosure

Микро- и макроскорость роста усталостной трещины в сталях и сплавах под влиянием закрытия трещины

Institution

Similar Items