УДК: 539.3:620.179.17
МЕТОДИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
В.Р. Скальский, И.Я. Долинская, Е.М. Станкевич, Ю.Я. Матвиив, Т.А. Крадинова
Предложена методика, позволяющая получать исходные данные для построения диаграммы роста трещин низкотемпературной ползучести. В ее основание положен метод акустической эмиссии. Показано, что его применение дает возможность эффективно выявлять ранние стадии развития трещин ползучести конструкционной стали. По данным экспериментов с использованием методики получено значение нижнего порогового коэффициента интенсивности напряжений для построения первого участка диаграммы.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, низкотемпературная ползучесть, нижнее пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений.
ВВЕДЕНИЕ
Большая часть элементов конструкций длительной эксплуатации работают в условиях статических нагрузок. Важным для инженерной практики является случай, когда в таких элементах появляются трещины. Последние приводят к потере прочности и вследствие этого к преждевременному разрушению, которое происходит, в частности, путем распространения трещин ползучести [1]. Основным механизмом его является низкотемпературная ползучесть [2—5], которая предопределяет замедленное разрушение и докритическое распространение трещины по нагрузкам, значительно меньшим критических.
В настоящее время для бездефектных материалов получен ряд результатов исследований их ползучести, по которым прогнозировали долговременную прочность и долговечность элементов конструкций [2, 6—8]. Однако распространение трещин ползучести изучено еще недостаточно [9—12]. Исследователи в основном рассматривали микромеханизмы деформирования и разрушения металлов [2, 13]. Результаты [14—16] показали, что низкотемпературная ползучесть происходит по механизмам дислокационного скольжения, зарождения и роста деформационных двойников. Так, в [17] приведены долговременные испытания роста трещин ползучести в стали 316. Установлено, что скорость роста трещины ползучести была наибольшая, когда она развивалась по клиновидному механизму разрушения, в отличие от транскристаллитного скола.
Для прогнозирования ресурса элементов конструкций, в которых развиваются трещины ползучести, необходимо знать кинетику их распространения. Для этого чаще всего используют оценку определенных энергетических, силовых или деформационных параметров. Наиболее распространен-
Валентин Романович Скальский, доктор техн. наук, профессор, зав. отделом акустико-эмиссионного диагностирования элементов конструкций Физико-механического института им. Г.В. Карпенко НАН Украины. Тел. +38(032)2631264. E-mail: skal@ipm.lviv.ua
Ирина Ярославовна Долинская, канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник отдела акустико-эмиссионного диагностирования элементов конструкций Физико-механического института им. Г.В. Карпенко НАН Украины. Тел. +38(032)2296875. E-mail: ira_dolinska@ukr.net
Елена Михайловна Станкевич, канд. техн. наук, научный сотрудник отдела акустико-эмиссионного диагностирования элементов конструкций Физико-механического института имю Г.В. Карпенко НАН Украины. Тел. +38(032)2296875. E-mail: stan_olena@yahoo.com
Юрий Ярославович Матвиив, канд. техн. наук, доцент каферы высшей математики Луцкого национального технического университета. Тел. +38(063)8508827. E-mail: yura_matviyiv@ukr.net
Татьяна Адамовна Крадинова, канд. техн. наук, доцент кафедры высшей математики Луцкого национального технического университета. Тел. +38(095)4219855. E-mail: rimta@ukr.net
ными среди них являются коэффициент интенсивности напряжений (КИН), ./-интеграл и параметр С* [10—13, 18]. В [9] показано, что зарождение и распространение трещин низкотемпературной ползучести можно с достаточной достоверностью описывать функцией КИН, а также по кинетическим диаграммам роста таких трещин [9, 10, 13, 18]. Но здесь возникают определенные трудности, связанные с правильным отображением первого участка диаграммы для малых значений КИН, особенно это касается определения его нижнего порогового значения К&с.
Таким образом, классические подходы не позволяют зафиксировать момент старта трещины низкотемпературной ползучести вследствие ее тун-нелирования внутри материала. Эффективным здесь является использование метода акустической эмиссии (АЭ) [19—22]. Именно АЭ позволяет определять ранние стадии развития трещины в случае, когда зарегистрировать ее распространение по боковой поверхности образца невозможно [23, 24]. Ведь на ранних стадиях критического развития трещина распространяется внутри материала скачкообразно, а каждый такой локальный скачок порождает излучения упругих волн АЭ. Как показывает обзор литературных источников [25], АЭ-диагностирование широко используют для исследования ранних стадий распространения усталостных трещин. Относительно трещин низкотемпературной ползучести таких исследований в литературе очень мало [26, 27].
Цель работы — на основании экспериментальных исследований с использованием сигналов АЭ создать методику определения нижнего порогового значения КИН, при котором начинается распространение трещин низкотемпературной ползучести.
ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ К ИСПЫТАНИЯМ И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
АЭ-КОНСТАНТЫ МАТЕРИАЛА
Испытывали призматические образцы из стали 15 размерами 6,8^110x15,8 мм с искусственно выведенной усталостной трещиной длиной I = 7,97 мм. Ее инициировали на установке, описанной в [28], согласно существующим методикам [29]. За величиной подрастания усталостной трещины наблюдали с помощью катетометра КМ-8. Для того чтобы возле ее вершины пластическая зона была минимальной, постепенно уменьшали величину нагрузки в цикле, согласно требованиям стандарта [29]. При этом частота нагрузки была фиксированной и составляла примерно 16 Гц при асимметрии цикла Я = 0,3.
После вывода усталостной трещины образец нагружали квазистатическим трехточечным изгибом с параллельной регистрацией АЭ. Одновременно измеряли следующие характеристики: раскрытие берегов трещины; амплитуду сигналов АЭ; усилия нагружения; время эксперимента. Диаграмму разрушения записывали с синхронной регистрацией акустограммы. По боковой поверхности образца дополнительно наблюдали за трещиной через лабораторный оптический микроскоп МБС-9. Эксперименты показали (рис. 1), что сначала в вершине трещины появляются существенные утяжки (пластические зоны), но трещина в это время не продвигается по боковой поверхности образца, хотя сигналы АЭ излучаются. При достижении нагрузки примерно 2 кН эксперимент прекращали. Затем снимали с испытательной установки образец и нагревали его до 600 °С с целью оттенить места новообразованных поверхностей цветами побежалости при возможном подрастании трещины, после чего доламывали его ударной нагрузкой. На доломах изучали поверхности, где по цветовым оттенкам фиксировали окисленные новообразованные ювенильные поверхности. В результате определяли среднюю площадь подрастания макротрещины (рис. 2), которая составляла в нашем случае для стали 15 ~ 1,5^2,0 мм2.
Рис. 1. Вид вершины трещины на боковой Рис. 2. Новообразованная поверхность на доло-поверхности образца на начальной стадии мах призматического образца из стали 15 на на-нагружения (х5). чальной стадии докритического роста трещины.
Полученные данные подтвердили, что в упруго-пластических материалах трещина туннелирует внутри образца без выхода на боковую поверхность. Как видим, ее локальное подрастание по фронту макротрещины можно эффективно выявлять по сигналам АЭ (САЭ). Однако для этого необходимо иметь экспериментально установленные константы, связывающие величину площади новообразованной поверхности трещины с параметрами САЭ, сопровождающих ее докритическое подрастание. Поэтому после записи САЭ приступали к их обработке.
На акустограммах (рис. 3) видно чередование САЭ малых и больших амплитуд. Гипотетически предполагали, что это чередование сигналов сопровождает образование пластических деформаций и субмикротрещин (малые значения амплитуд А.), а также локальное подрастание макротрещин (большие дискретные значения амплитуд А.). Чтобы проверить правильность гипотезы и идентифицировать тип разрушения, применяли предложенный ранее к-критерий, построенный на параметрах непрерывного вейвлет-преобразования САЭ [30]. Исходя из этого, произвольно выбирали на акустограмме точки, например а—г (см. рис. 3), которые соответствовали
б
Р, кН
усл. ед. 120
X А усл. ед.
400
усл. ед.
120
80 300
40
200
100 -------
400
80
40
800 г, с
1200 1600
0
0
V, мм
Рис. 3. Диаграмма Р - V и распределения амплитуд САЭ Л. (а) и изменения их суммы Е Л. при подрастании усталостной трещины (б) под квазистатической нагрузкой.
различным по амплитуде сигналам А. и находились на разных участках диаграммы разрушения.
САЭ регистрировали восьмиканальной измерительной системой 8КОР-8 [20] с такими режимами измерений: продолжительность выборки составляла 0,25 мс; период дискретизации аналогового сигнала — 0,5 мкс; частота среза фильтра низких частот — 600 кГц; высоких — 200 кГц; порог дискриминации — в пределах 28 %. Коэффициент предварительного усилителя АЭ-тракта составлял 35 дБ. Полосу частот измерительного канала определяли по рабочей полосе частот первичного пьезопреобразователя и в нашем случае она была в пределах 200—600 кГц.
а
А, мв
2 1 0 -1 -2
20
40
I, мкс
60
90
60 ^ мкс
400
ШТ
0,03 0,02 0,01
0
100 / кГц
б
ШТ 0,035
к = 0,1
0,02
N
\
1 \
\
1 \
1 \
1 1 \
1 IV \
300 / кГц
600
Рис. 4. Волновое отображение (а), проекция на плоскость "ШТ—/" в момент достижения максимального значения вейвлет-коэффициента в событии АЭ (б) и непрерывное вейвлет-преобразование (в) типичных САЭ, генерируемых вязким разрушением образцов.
0
в
0
0
Согласно к-критерию, для каждого из характерных САЭ получены следующие соответствующие значения. Сигналы с низкими амплитудами Аг (А < 35 усл. ед.; 1 усл. ед. = 1 мВ) регистрировали в диапазоне частот А/ = 350—400 кГц (рис. 4а, б) и для них
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.