Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве
Предложен методологический подход к оценке характеристик локальной неупругости металлических сплавов при циклическом нагружении по изменению характеристик случайного распределения локальной неупругости материала. Запропоновано методологічний підхід до оцінки характеристик локальної непружності ме...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2008 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2008
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48248 |
| 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: | Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве / Г.Г. Писаренко, И.М. Васинюк, А.В. Войналович, П.М. Копчевский, А.Н. Майло // Проблемы прочности. — 2008. — № 2. — С. 98-104. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859669667514155008 |
|---|---|
| author | Писаренко, Г.Г. Васинюк, И.М. Войналович, А.В. Копчевский, П.М. Майло, А.Н. |
| author_facet | Писаренко, Г.Г. Васинюк, И.М. Войналович, А.В. Копчевский, П.М. Майло, А.Н. |
| citation_txt | Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве / Г.Г. Писаренко, И.М. Васинюк, А.В. Войналович, П.М. Копчевский, А.Н. Майло // Проблемы прочности. — 2008. — № 2. — С. 98-104. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Предложен методологический подход к оценке характеристик локальной неупругости металлических
сплавов при циклическом нагружении по изменению характеристик случайного
распределения локальной неупругости материала.
Запропоновано методологічний підхід до оцінки характеристик локальної
непружності металевих сплавів при циклічному навантажуванні за зміною
характеристик випадкового розподілу локальної непружності матеріалу.
We propose a new methodological approach to
assessment of local nonlinearity characteristics
of metal alloys under cyclic loading using variation
of characteristics of random distribution of
the material local nonlinearity.
|
| first_indexed | 2025-11-30T13:21:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4:621.921
Влияние циклического нагружения на локальные структурные
изменения в жаропрочном сплаве
Г. Г. Писаренко, И. М. Васинюк, А. В. Войналович, П. М. Копчевский,
А. Н. Майло
Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Предложен методологический подход к оценке характеристик локальной неупругости ме
таллических сплавов при циклическом нагружении по изменению характеристик случайного
распределения локальной неупругости материала.
К л ю ч е в ы е сл ова: дислокационная структура, повреждаемость, микроплас-
тические деформации, усталость, неупругость.
Введение. Данные о закономерностях эволюции дислокационной струк
туры конструкционных материалов при циклическом нагружении свидетель
ствуют о локальном характере структурных изменений [1-3]. Так, разви
вающиеся на начальной стадии повреждаемости микропластические дефор
мации имеют локальный характер распределения по микрообъемам. Особен
ностью микрообъемов максимальных структурных изменений является по
вышенная чувствительность структурных элементов к внешним нагрузкам.
Это обусловлено локальной концентрацией напряжений, концентрационной
неоднородностью примесей и легирующих элементов, близостью к свобод
ной поверхности. Сформировавшаяся таким образом поликристаллическая
структура материала обладает особенностью, характерной для определен
ного макрообъема [4-6].
Макрохарактеристики физико-механических свойств поликристалличес-
кого тела (прочность, пластичность, неупругость и пр.) интегрально отобра
жают механическое поведение материала при деформировании и обобщенно
представляют неоднозначный характер реакции совокупности дискретных
микроструктурных элементов со случайным распределением локальных
особенностей физико-механических свойств конструктивного элемента или
лабораторного образца материала на прикладываемую нагрузку. Изменение
исходного распределения микросвойств неоднородной структуры соответ
ствует процессу механической повреждаемости и обладает определенной
закономерностью в зависимости от указанных выше факторов. Каждому
состоянию повреждаемости соответствует такое распределение свойств
микрообъемов, кинетика которого обладает стационарной закономернос
тью с характерными для данных условий нагружения свойствами. Таким
образом, повреждаемость может быть представлена определенной после
довательностью параметров случайного распределения локальных свойств,
закономерность изменения которых отражает кинетику структурных изме
нений. Поврежденность конструкционных материалов проявляется в измене
нии макросвойств, например неупругих деформаций [7, 8] или твердости [9],
что указывает на возможность корреляционной связи характеристик случай
ного распределения микросвойств с их макроскопическими аналогами.
© Г. Г. ПИСАРЕНКО, И. М. ВАСИНЮК, А. В. ВОЙНАЛОВИЧ, П. М. КОПЧЕВСКИЙ, А. Н. МАЙЛО,
2008
98 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Влияние циклического нагружения
Цель работы заключается в обосновании методологии количественной
оценки поврежденности при усталости металла, основанной на кинетичес
ких характеристиках изменения дисперсии локальной нелинейности цикли
ческих деформаций.
Методика исследования. Нелинейность циклических деформаций пред
ставлена величиной угла сдвига фаз между прикладываемым напряжением и
реакцией материала - деформацией в режиме резонансных колебаний объема
материала, ограниченного зоной контактного нагружения поверхностного
слоя толщиной 0,1 мм. Измерения угла сдвига фаз проводили на стандарт
ных образцах, изготовленных из жаропрочного сплава на никелевой основе
ЭП202 (ХН67ВМТЮ), после их разрушения в результате усталостных
испытаний при частотах 100 Гц и 10 кГц в условиях симметричного
растяжения-сжатия. Методика измерений описана в работах [10-12]. Объек
том исследования служила кольцевая зона цилиндрической поверхности
рабочей части разрушенных образцов вблизи месторасположения магист
ральной трещины.
Результаты исследования приведены на рис. 1-4. Из рис. 1, 2 видно, что
для данного сплава частота циклического нагружения существенно влияет
на сопротивление усталости. Однако в работе [13] установлено, что повы
шение частоты симметричного нагружения до 10 кГц не приводит к изме
нению характера структурных и фазовых преобразований микроструктуры
сплава, в то время как в [3] показано, что с повышением частоты нагружения
уменьшаются размеры микрообъемов, в которых существенно выражены
структурные и фазовые изменения микроструктуры с преобладающей лока
лизацией этих микрообъемов вблизи границ зерен при сохранении основных
тенденций эволюции структуры.
с>а, М П
480
430
380
330
280
105 106 107 108 N. цикл
Рис. 1. Результаты усталостных испытаний образцов из жаропрочного сплава ЭП202 при
частотах нагружения 100 Гц (1) и 10 кГц (2), а а - амплитуда циклических напряжений, МПа.
(Здесь и на рис. 2-4: N - количество циклов до разрушения.)
Интенсивность накопления микроструктурных изменений разная, при
чем это различие существенно уменьшается при формировании магистраль
ной трещины. Таким образом, к моменту усталостного разрушения образца
в материале присутствуют микрообъемы с разной степенью эволюции микро
структуры, обусловленной возникновением различного количества характер
ных элементов, определяющих поврежденность материала. Так, для сплава
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 99
Г. Г. Писаренко, И. М. Васинюк, А. В. Войналович и др.
ЭП202 на стадии локального разрушения в зонах зерен, свободных от
выделений упрочняющей у-фазы, образуются деформационные полосы, из
которых могут возникнуть усталостные микротрещины, изменяется про
странственное расположение элементов дислокационной структуры отно
сительно границ зерен и т.д.
^ отч
100 Гц
1_10 кГц
10’ 10 ' 10" N , цикл
Рис. 2. Диаграммы изменения относительного значения дисперсии локальной неупругости
циклической деформации дотн образцов из сплава ЭП202.
А нализ результатов. В пределах зоны действия в материале цикли
ческих напряжений одного уровня совокупность равнонагруженных микро
объемов образца можно рассматривать как множество микроструктурных
элементов с различной степенью эволюции. Степень структурных измене
ний в таком случае может характеризоваться кинетикой параметра распре
деления какого-либо свойства материала, определяющего индивидуальные
особенности механической реакции материала лабораторного образца на
циклическое нагружение при тестовых испытаниях. Данная феноменологи
ческая модель позволяет сопоставить кинетику распределения параметра
локальной неупругости с долговечностью образцов для амплитуд цикли
ческих напряжений в соответствующем диапазоне кривых усталости сплава
ЭП202.
На рис. 2 представлены обобщенные данные, полученные усреднением
по ряду характеристик, как результат измерений локальной неупругости
циклических деформаций в 1000 дискретных точках поверхности 20 стан
дартных образцов для усталостных испытаний. Сравнение результатов изме
рений проводили в рамках разработанного подхода с привлечением пакета
средств статистического анализа данных. Анализ кривых на рис. 1 и 2
показывает, что уменьшение относительного значения дисперсии локальной
неупругости образцов при увеличении количества циклов нагружения изме
няется в соответствии с ростом долговечности образцов со снижением
амплитуды циклических напряжений. Представленные данные свидетельст
вуют, что особенности динамики диаграмм, отображающих величину дис
персии локальной неупругости при циклическом нагружении (рис. 2), и
кривых усталости (рис. 1) обусловлены действием механизма влияния цикли
ческого деформирования на эволюцию структуры металлов [3], что может
100 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Влияние циклического нагружения
быть следствием идентичности кинетики микро- и макрохарактеристик фи
зико-механических свойств сплава в процессе усталости.
Рис. 3 иллюстрирует микроструктурные преобразования исследуемого
материала при нагружении симметричными циклами растяжения-сжатия с
частотой 100 Гц. С ростом количества циклов нагружения увеличиваются
размеры микрообъемов максимально выраженных структурных изменений с
уменьшенным количеством у-фазы (рис. 3,в), что приводит к возникновению
полос деформаций и развитию усталостных микротрещин (рис. 3,г).
Рис. 3. Дислокационная структура никелевого сплава ЭП202 вблизи зоны разрушения
образцов на частоте нагружения 100 Гц [3]: а - исходное состояние; б - N = 2-10 цикл; в -
N = 106 цикл; г - N = 107 цикл.
Механизм указанного явления может быть описан с помощью модель
ных представлений о процессе усталостного повреждения [3], в соответст
вии с которыми локализация очагов зарождения трещин происходит путем
образования локальных областей пластического деформирования на фоне
относительно стабильной структуры и количество локальных областей до
определенного момента процесса возрастает. Этапу локального разрушения
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 101
Г. Г. Писаренко, И. М. Васинюк, А. В. Войналович и др.
предшествует возникновение по схеме включение-матрица множества струк
турных зон, идентичных по степени исчерпания ресурса пластических
свойств, но расположенных в объеме материала со свойствами, отлича
ющимися в пределах естественной дисперсии локальных свойств материала.
Это обстоятельство обусловливает дисперсию скоростей роста малых тре
щин, образующихся в зонах предразрушения, вследствие чего имеет место
разброс долговечностей образцов при усталостных испытаниях [7, 14].
В работе [15] получены экспериментальные данные, которые объясняют
зависимость между размером малых трещин (10-20 мкм) и напряженным
состоянием при циклическом нагружении. Установлено, что в идентичных
условиях нагружения трещины одной геометрии имеют разную динамику.
Эти данные являются подтверждением приведенных в [15] положений о
применимости характеристик локальной неупругости металла к оценке
долговечности образцов при циклическом нагружении.
В соответствии с предложенной [3] моделью, при циклическом нагру
жении происходят локальные изменения пластических свойств материала,
что сопровождается эволюцией микроструктуры в объеме материала, окру
жающего критические области. Это, естественно, приводит к изменению
распределения внутренних напряжений микроструктуры, что является реак
цией материала на циклическое деформирование, свойственной природе
материала с поликристаллической структурой. Механизм локального изме
нения пластических свойств активизируется номинальными циклическими
напряжениями, приложенными к образцу. Результатом циклического дефор
мирования является известное из литературных источников, например [8],
изменение макросвойств материала, которое может быть сопоставлено с
кинетической характеристикой дисперсии параметра неупругости локаль
ных объемов. Кривая на рис. 4 отображает изменение величины разброса
локальной неупругости материала образцов, разрушенных при фиксирован
ном количестве циклов. По мере развития поврежденности дисперсия про
ходит через минимум, который соответствует базе нагружения 5-10 цикл.
Материал образцов, разрушившихся на больших базах (109 цикл), содержит
структурную неоднородность, идентичную неоднородности материала, раз
рушенного на относительно малых базах (5 -106 цикл). По-видимому, такое
изменение механизма повреждаемости на больших базах нагружения связа
но с взаимодействием двух процессов. Одновременно действует механизм
внутренних напряжений, обусловленный снижением неоднородности мате
риала, и развивается процесс локального разрушения материала по указан
ной выше модели.
Учитывая предысторию нагружения каждого испытуемого образца, в
соответствии с обобщенной диаграммой усталости [16] к определенному
этапу усталости в материале происходят структурные изменения как по
упругому, так и пластичному механизму. В итоге второй механизм пре
обладает и это вызывает развитие неупругих процессов, что соответствует
возрастающему участку кривой на рис. 4.
Предложенный подход к анализу поврежденности базируется на законо
мерностях изменения характеристик локальной неупругости материала. С
его использованием можно установить феноменологические закономернос-
102 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Влияние циклического нагружения ...
<5-105
107 108 109 N , цикл
Рис. 4. Диаграмма изменения дисперсии неупругости ô локальных объемов образцов из
сплава ЭП202, разрушенных на частоте нагружения 10 кГц.
ти эволюции исследуемого сплава при циклическом нагружении путем
анализа кинетики параметров распределения физико-механических свойств
материала.
Заключение. Установлена корреляционная связь между параметрами
случайного распределения характеристик локальной неупругости цикличес
ких деформаций вблизи зоны разрушения и дисперсией долговечностей
образцов на диаграмме многоцикловой усталости.
Методология оценки локальных особенностей физико-механических
свойств образцов сплава ЭП202 при циклическом нагружении может быть
использована для прогнозирования долговечности на больших базах нагру
жения.
Р е з ю м е
Запропоновано методологічний підхід до оцінки характеристик локальної
непружності металевих сплавів при циклічному навантажуванні за зміною
характеристик випадкового розподілу локальної непружності матеріалу.
1. K ru m l T. a n d P o la k J. Cyclic strain localization and internai structure in
aluminum-lithium alloy // Fatigue’99. - Beijing: Higher Education Press,
1999. - 1. - P. 187 - 192.
2. Я ковлева T. Ю ., В ойналович О. В ., М ат охн ю к Л . Є. Кінетика струк
турних змін у сплаві АМгбН за дії високочастотного асиметричного
навантажування // Металознавство та обробка металів. - 2000. - № 4. -
С. 12 - 19.
3. Я ковлева T. Ю . Локальная пластическая деформация и усталость метал
лов. - Киев: Наук. думка, 2003. - 236 с.
4. Г ориц кий В. М ., Т ерен т ьев В. Ф. Структура и усталостное разрушение
металлов. - М.: Металлургия, 1980. - 207 с.
5. М ат охн ю к Л . Е . Ускоренные усталостные испытания высокочастотным
нагружением. - Киев: Наук. думка, 1988. - 200 с.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 2 103
Г. Г. Писаренко, И. М. Васинюк, А. В. Войналович и др.
6. Я ковлева Т. Ю . Использование методов Фурье-оптики для количествен
ного анализа эволюции структурного состояния металлов в условиях
циклического нагружения // Пробл. прочности. - 2000. - № 2. - С. 81 -
89.
7. Т рощ енко В. Т., К р а со вск и й А. Я., П окровски й В. В. и др . Сопро
тивление материалов. В 2 т. - Киев: Наук. думка, 1994. - 701 с.
8. Т рощ енко В. Т., К ури ат Р. И ., Л е б е д е в А. А. и др . Прочность материалов
и конструкций. - Киев: Академпериодика, 2005. - 1086 с.
9. Л е б е д е в А. А ., М узы к а Н. Р ., В олчек Н. Л . Определение поврежденности
конструкционных материалов по параметрам рассеяния характеристик
твердости // Пробл. прочности. - 2002. - № 4. - С. 5 - 12.
10. П и сарен ко Г. Г ., В ойналович А. В ., Г ол ован ев Ю . М ., В асин ю к И. М .
Исследование закономерностей изменения статистических свойств тита
новых сплавов при циклическом нагружении // Там же. - 2001. - № 3. -
С. 80 - 87.
11. П и сарен ко Г. Г ., В ойналович О. В ., Г олован ъ ов Ю . М ., В асин ю к I. М .
Пошкоджуваність та структурна неоднорідність титанового сплаву ВТ14
при циклічному навантажуванні // Там же. - 2003. - № 6. - С. 75 - 84.
12. П и сарен ко Г. Г ., В ойналович О. В ., Г олован ъ ов Ю . М., В асин ю к I. М.
Аналіз кінетичних характеристик пошкоджуваності титанових сплавів
за умов циклічного навантажування // Праці конф. “Оцінка й обгрунту
вання продовження ресурсу елементів конструкцій” (6-9 черв. 2000 р.).
- Київ: Логос, 2000. - С. 137 - 142.
13. Я ковлева Т. Ю ., В ойналович О. В ., М ат охн ю к Л . Є. Особливості форму
вання дислокаційної структури нікелевого сплаву за дії циклічного
навантажування // Металознавство та обробка металів. - 2001. - № 4. -
С. 19 - 25.
14. П и сарен ко Г. С , С т риж ало В. А . Экспериментальные методы в меха
нике деформируемого твердого тела. - Киев: Наук. думка, 1986. - 264 с.
15. Б от вина Л . Р . Кинетика разрушения конструкционных материалов. -
М.: Наука, 1989. - 230 с.
16. И ван ова В. С ., Терент ъев И. Ф. Природа усталости металлов. - М.:
Металлургия, 1975. - 455 с.
Поступила 21. 11. 2005
104 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48248 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T13:21:37Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Писаренко, Г.Г. Васинюк, И.М. Войналович, А.В. Копчевский, П.М. Майло, А.Н. 2013-08-17T11:53:35Z 2013-08-17T11:53:35Z 2008 Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве / Г.Г. Писаренко, И.М. Васинюк, А.В. Войналович, П.М. Копчевский, А.Н. Майло // Проблемы прочности. — 2008. — № 2. — С. 98-104. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48248 539.4:621.921 Предложен методологический подход к оценке характеристик локальной неупругости металлических сплавов при циклическом нагружении по изменению характеристик случайного распределения локальной неупругости материала. Запропоновано методологічний підхід до оцінки характеристик локальної непружності металевих сплавів при циклічному навантажуванні за зміною характеристик випадкового розподілу локальної непружності матеріалу. We propose a new methodological approach to assessment of local nonlinearity characteristics of metal alloys under cyclic loading using variation of characteristics of random distribution of the material local nonlinearity. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве Cyclic loading effect on local structural changes in a heat-resistant alloy Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве Писаренко, Г.Г. Васинюк, И.М. Войналович, А.В. Копчевский, П.М. Майло, А.Н. Научно-технический раздел |
| title | Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве |
| title_alt | Cyclic loading effect on local structural changes in a heat-resistant alloy |
| title_full | Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве |
| title_fullStr | Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве |
| title_full_unstemmed | Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве |
| title_short | Влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве |
| title_sort | влияние циклического нагружения на локальные структурные изменения в жаропрочном сплаве |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48248 |
| work_keys_str_mv | AT pisarenkogg vliâniecikličeskogonagruženiânalokalʹnyestrukturnyeizmeneniâvžaropročnomsplave AT vasinûkim vliâniecikličeskogonagruženiânalokalʹnyestrukturnyeizmeneniâvžaropročnomsplave AT voinalovičav vliâniecikličeskogonagruženiânalokalʹnyestrukturnyeizmeneniâvžaropročnomsplave AT kopčevskiipm vliâniecikličeskogonagruženiânalokalʹnyestrukturnyeizmeneniâvžaropročnomsplave AT mailoan vliâniecikličeskogonagruženiânalokalʹnyestrukturnyeizmeneniâvžaropročnomsplave AT pisarenkogg cyclicloadingeffectonlocalstructuralchangesinaheatresistantalloy AT vasinûkim cyclicloadingeffectonlocalstructuralchangesinaheatresistantalloy AT voinalovičav cyclicloadingeffectonlocalstructuralchangesinaheatresistantalloy AT kopčevskiipm cyclicloadingeffectonlocalstructuralchangesinaheatresistantalloy AT mailoan cyclicloadingeffectonlocalstructuralchangesinaheatresistantalloy |