Визначення втомної довговічності елементів конструкцій з концентраторами напружень на підставі деформаційних параметрів локального руйнування

РОЗДІЛ 2.
ДЕ­ФОР­МА­ЦІЙ­НИЙ ПІД­ХІД ДО ОЦІН­КИ ПЕ­РІ­О­ДУ ЗА­РОД­ЖЕН­НЯ ТА РОСТУ ВТОМ­НОЇ
МАК­РОТ­РІ­ЩИ­НИ
Одним з найважливіших завдань сучасної механіки втомного руйнування є
дос­лід­жен­ня про­це­сів за­род­жен­ня і росту мак­рот­рі­щи­ни в еле­мен­тах
кон­струк­цій, особливо бі­ля кон­цен­тра­то­рів нап­ру­жень. Для цьо­го
ви­ко­рис­то­ву­ють різноманітні па­ра­мет­ри нап­ру­же­но-де­фор­мо­ва­но­го
ста­ну ма­те­рі­а­лу як си­ло­ві (нап­ру­жен­ня), так і де­фор­ма­цій­ні чи
енер­ге­тич­ні. Склад­ність роз­ра­хун­ку нап­ру­жень (си­ло­вих па­ра­мет­рів)
в околі різ­них кон­цен­тра­то­рів в елементах конструкцій під час їх
ек­сплу­а­та­ції, з ура­ху­ван­ням пруж­но-плас­тич­них де­фор­ма­цій матеріалу
та дії ото­чу­ю­чо­го (ро­бо­чо­го) се­ре­до­ви­ща, вимагає по­шу­ку
прос­ті­ших під­хо­дів до роз­в'я­зан­ня проб­ле­ми. У пев­ній мі­рі цьо­го
мож­на до­сяг­ти, ви­ко­рис­то­ву­ю­чи де­фор­ма­цій­ні па­ра­мет­ри,
ос­кіль­ки ве­ли­чи­на де­фор­ма­цій піддається не тіль­ки роз­ра­хункові, але
й ви­мі­рам без­по­се­ред­ньо на де­та­лях.
Ло­каль­ні де­фор­ма­ції мож­на, нап­рик­лад, виз­на­ча­ти че­рез відносне
зміщення бе­ре­гів ви­рі­зу [82-85] чи трі­щи­ни [86-90]. Це під­твер­дили,
зок­ре­ма, ­чи­сле­нні спроби застосувати де­фор­ма­цій­ні критерії на ос­но­ві
характеристик відносного зміщення (розкриття) d, до яких вдавалися за ос­тан­ні
10 - 20 ро­ків, ана­лі­зуючи процеси руйнування у де­фор­мів­но­му ті­лі.
Нап­рик­лад, під­хо­ди COD i CTOD [86, 86], COA i CTOA [90], Ddeff [89], d5
[90], а та­кож ме­тод мі­ток [91]. Слід наголосити, що на даний час на
від­мі­ну від ві­до­мих по­пе­ред­ніх ме­то­дик, рег­ла­мен­тованих BS
(Brit­ish Stan­dards) [86], го­лов­ним стає оцінка величини d без­по­се­ред­ньо
в око­лі вер­ши­ни трі­щи­ни [90] або ви­рі­зу [84, 85].
Відомі ек­спе­ри­мен­таль­ні ме­то­ди виз­на­чен­ня роз­крит­тя d сто­су­ють­ся
лише тіл з трі­щи­на­ми [86, 92, 93]. За­галь­ним їх не­до­лі­ком є те, що
ве­ли­чи­ну d роз­ра­хо­ву­ють на під­ста­ві пев­них за­мі­рів наб­ли­же­ни­ми
під­хо­да­ми, (зок­ре­ма, ме­то­дом по­діб­нос­ті три­кут­ни­ків). Це знач­но
об­ме­жує їх ви­ко­рис­тан­ня і для пруж­но-плас­тич­них тіл, і для тіл з
кон­цен­тра­то­ра­ми нап­ру­жень, бо іс­нує проб­ле­ма виз­на­чення центру
ро­та­ції. Не на­бу­ло ши­ро­ко­го роз­вит­ку ви­мі­рю­ван­ня роз­крит­тя
трі­щи­ни за до­по­мо­гою на­не­се­них на по­вер­хню поз­на­чок [91].
За ос­тан­ній час з'я­ви­ли­ся ро­бо­ти, в яких на­ма­га­ють­ся пря­мо
ви­мі­ря­ти роз­крит­тя d і від­по­від­но ам­плі­ту­ди ло­каль­ної
де­фор­ма­ції De без­по­се­ред­ньо бі­ля вер­ши­ни трі­щи­ни або ви­рі­зу. Так,
ме­тод елек­тро­по­лі­ро­ва­них рів­них квад­ра­тів [94-97] доз­во­лив
зіс­та­ви­ти ви­мі­ри на зраз­ках з гос­три­ми ви­рі­за­ми та трі­щи­на­ми і
виз­на­чи­ти пе­рі­од Ni - чис­ло цик­лів до за­род­жен­ня втом­ної трі­щи­ни
єди­ною за­леж­ніс­тю (De - Ni). Але ще не під­твер­дже­но, що цей ме­тод мо­же
да­ти доб­рі ре­зуль­та­ти у ви­пад­ку кон­цен­тра­то­рів з ве­ли­ким
ра­ді­у­сом r. Крім цьо­го, са­мі ви­мі­рю­ван­ня в елек­трон­но­му
мік­рос­ко­пі ви­ма­га­ють ма­лих зраз­ків і то­му об­ме­же­ні тіль­ки
ла­бо­ра­тор­ни­ми дос­лі­да­ми.
Вод­но­час роз­ра­хун­ко­ві [98] та роз­ра­хун­ко­во­-ек­спе­ри­мен­таль­ні
[99] да­ні свід­чать про пер­спек­тив­ність де­фор­ма­цій­них па­ра­мет­рів для
кіль­кіс­но­го опи­су втом­но­го руй­ну­ван­ня ма­те­рі­а­лів на різ­них
ста­ді­ях. Тому було роз­роб­ле­но ек­спе­ри­мен­таль­ний ме­тод побудови
за­леж­нос­ті пе­рі­о­ду за­род­жен­ня і швидкості рос­ту втом­ної
мак­рот­рі­щи­ни від ве­ли­чи­ни ло­каль­ної де­фор­ма­ції, виз­на­че­ної
че­рез роз­крит­тя бі­ля вер­ши­ни ви­рі­зу (на ста­дії за­род­жен­ня
трі­щи­ни) або трі­щи­ни (на ста­дії її рос­ту).
2.1. Матеріал і методика проведення експериментальних досліджень
Для вста­новлення за­леж­нос­тей між пе­рі­о­да­ми за­род­жен­ня Ni
мак­рот­рі­щи­ни і ве­ли­чи­на­ми де­фор­ма­ції ма­те­рі­а­лу бі­ля вер­ши­ни
ви­рі­зу дос­лід­жу­ва­ли наступні матеріали: алю­мі­ні­є­ві спла­ви 1440Т1
піс­ля гар­ту­ван­ня та ста­рін­ня, АМг-6 піс­ля від­па­лу і В95пчТ2 після
гартування і старіння; ма­ло­вуг­ле­це­ву сталь 08кп і се­ред­ньо­вуг­ле­це­ву
сталь У8А - обид­ві піс­ля від­па­лу; високоміцний чавун аустенітного класу
(АВЧ), що виливали в клиноподібні проби, зразки з яких двоступенево
відпалювали: нагрів 980 0С, витримка 10 год., охолодження з піччю до 720 0С, а
потім на повітрі; високоміцний чавун перлітно-феритного класу (ПФВЧ) після
нормалізації: нагрів до 930 0С, витримка 2 год., далі охолодження на повітрі
[100]. Механічні характеристики цих матеріалів подані у табл. 2.1.
Таблиця 2.1
Механічні характеристики досліджуваних матеріалів
Матеріал
Границя текучості,
s0,2, МПа
Границя міцності,
sВ, МПа
Відносне видовження,
E,
ГПа
d*,
мкм
Сплав 1440Т1
370
460
70
120/250
Сплав АМг-6
175
340
22
- // -
120/270
Сплав В95пчТ2
456
510
12
- // -
100/100
Сталь 08кп
190
270
48
200
200/250
Сталь У8А
450
630
21
- // -
200/200
АВЧ
320
450
25
160
340/340
ПФВЧ
850
980
- // -
50/150
Примітка. В чисельнику значення d* для малоциклової втоми (довговічності Ni =
102 ... 105 циклів), у знаменнику - для багатоциклової (Ni = 105 ... 107
циклів).
Рис. 2.1. Типи випробовуваних зразків та схе­ма ви­мі­рю­ван­ня зміщення точок
кон­ту­ру ви­рі­зу на зраз­ках різної геометрії.
Початкову розробку методики проводили на сплаві 1440Т1 і вип­ро­бо­ву­ва­ли
та­кі зраз­ки (рис. 2.1): дис­ко­ві ком­пак­тні з ви­рі­за­ми, ба­зо­вий
роз­мір яких W = 64 мм (тип I); зр