МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 4 • 2011
УДК 539.3
© 2011 г. А.Г. ДЕМЕШКИН, Е.В. КАРПОВ, В.М. КОРНЕВ
НАКОПЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ОБРАЗЦАХ С КРАЕВОЙ ТРЕЩИНОЙ
В ЗОНЕ ПРЕДРАЗРУШЕНИЯ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ МАЛОЦИКЛОВОМ
НАГРУЖЕНИИ
Приводятся результаты экспериментального исследования деформирования и разрушения алюминиевого сплава Д16-Т и титанового сплава ВТ5-1 при нестационарном малоцикловом нагружении симметричным трехточечным изгибом. Рассмотрены режимы нагружения с постепенной догрузкой и с понижением нагрузки. Выявлен параметр, оказывающий определяющее влияние на процесс накопления повреждений. Обращается внимание на различие механизмов накопления повреждений в титановом и алюминиевом сплавах. Показано, что накопление повреждений имеет, как правило, нелинейный характер и существенно зависит от вида пошагового изменения нагрузки (увеличение или уменьшение). Также в экспериментах удалось связать характерную точку на графике "полный прогиб — усилие" при однократном нагружении с аналогичной точкой на графике при малоцикловом нагружении, что позволяет по однократному нагружению предсказать живучесть конструкции при малоцикловом нагружении.
Предложено сопоставление полученных экспериментальных данных с теоретическими представлениями.
Ключевые слова: малоцикловое нагружение, трещина, накопление повреждений, охрупчивание, трехточечный изгиб, зона предразрушения.
1. Введение. Отличительной особенностью микрорельефа изломов металлических деталей при усталости являются усталостные бороздки, ориентированные перпендикулярно направлению распространения трещины. Считается, что очередная бороздка образуется после каждого цикла нагружения [1, с. 136]. Однако существуют и другие точки зрения, согласно которым очередная бороздка может формироваться не только после каждого цикла нагружения, но и после нескольких циклов [2, 3]. Поэтому представляется целесообразным связать формирование усталостных бороздок с циклическим продвижением вершины трещины, а в экспериментах организовать запись остаточных прогибов балок при трехточечном изгибе, когда нагружение соответствует малоцикловой усталости. Например, очередная бороздка может формироваться после нескольких циклов нагружения вследствие остановки усталостной трещины после каждого продвижения ее вершины в модели Лейрда—Смита [4, 5], причем на каждом цикле нагружения имеет место охрупчивание материала в зоне предразрушения. Модели малоциклового разрушения, предложенные в [6, 7], существенно используют подходы линейной механики разрушения, а нелинейность материала имеет место только в зоне предразрушения. В работе [7] накопление повреждений в зоне предраз-рушения связывается с накоплением неупругих деформаций в этой зоне.
Целью настоящей работы является экспериментальное описание процесса последовательного продвижения вершины трещины скачками при малоцикловом разруше-
Фиг. 1
нии. Рассматривается нестационарное пульсирующее нагружение металлических образцов с краевой макротрещиной. Существующая экспериментальная техника позволяет осуществить запись диаграммы зависимости прогиба от приложенной силы для каждого цикла при малоцикловом пульсирующем нестационарном нагружении. Нагружение образцов таково, что может реализоваться первая мода разрушения.
2. Экспериментальное исследование. 2.1. Описание методики эксперимента малоциклового нагружения балок при трехточечном изгибе. Для исследования накопления повреждений в зоне предразрушения и определения механизма продвижения усталостной трещины при нестационарном малоцикловом нагружении проведена серия экспериментов по симметричному трехточечному изгибу балочных образцов с имитацией начальной трещины, которая представляет собой поперечный разрез, расположенный на нижней стороне балки под точкой приложения силы. Подчеркнем, что интенсивность нагружения была выбрана таким образом, что в зоне предразрушения материал образцов работал в пластической области деформирования. Образцы одинаковой геометрии были изготовлены из алюминиевого сплава Д16-Т и титанового сплава ВТ5-1. Предварительно были проведены стандартные испытания на одноосное растяжение образцов из указанных материалов с целью получения их ст — е диаграмм.
Эксперименты проводились на машине для испытания материалов /шек/ЯоеИ /100 ТС-РЮ00ТЬ.А4К. Нагружение представляло собой многократный трехточечный изгиб с разгрузкой и задавалось перемещением подвижной траверсы с постоянной скоростью 1 мм/мин, деформация замерялась датчиком перемещения траверсы (точность позиционирования меньше 1 мкм, разрешение системы привода 0.0206 мкм), приложенная сила — встроенным датчиком силы. Производилась запись диаграмм нагружения для каждого цикла. Ветвь разгрузки не записывалась в базу данных по причине ограниченных возможностей имеющейся конфигурации оборудования.
На фиг. 1 приведены ст — е диаграммы для одноосного растяжения стандартных лопаточных образцов из сплавов Д16-Т (кривая 1) и ВТ5-1 (кривая 2). Значения напря-
(а)
77
Л
77
P
75
77
10
Л
77
n* < n
P
t 0 Фиг. 2
жения а приведены в МПа, а относительной деформации s — в процентах. Как видно, оба материала выдерживают большую пластическую деформацию s, предельное относительное удлинение больше 10%. Следует отметить различие в ст — s диаграммах этих материалов, заключающееся в том, что для алюминиевого сплава Д16-Т пластическое деформирование происходит с упрочнением до момента разрушения, в то время как для титана ВТ5-1 наблюдаются участки как с упрочнением (до крестообразной пометки), так и с разупрочнением (после этой пометки), что вообще характерно для многих титановых сплавов.
Для циклических испытаний на фиг. 2, a приведена схема нагружения, вид образца и его размеры в миллиметрах. Ширина разреза, имитирующего начальную трещину, составляла 0.8 мм, глубина — 4.7 мм, причем размеры образца и глубина разреза соответствуют ГОСТу [8]. Образцы испытывались при двух видах нестационарного нагружения как с пошаговым увеличением (фиг. 2, b), так и с пошаговым уменьшением (фиг. 2, с) максимальной приложенной силы. Такое циклическое нагружение принято называть нестационарным [1]. Интенсивность нагружения в обоих случаях подбиралась такой, чтобы обеспечить пластические деформации материала в зоне предразру-шения, расположенной на продолжении поперечного разреза.
Далее для удобства описания экспериментальных результатов введем некоторые обозначения. Через 8с обозначим добавочный остаточный прогиб балки в отдельном цикле, т.е. 8с — разница между максимальными прогибами для текущего и предшествующего циклов. Добавочный прогиб 8с возникает из-за неупругих деформаций, которые могут иметь место только вблизи вершины трещины или одновременно вблизи вершины трещины и на противоположной стороне балки под точкой приложения силы. Через 8p обозначим аналогичную величину, накопленную не на цикле, а на одном шаге испытания. Шагом назовем группу циклов нагружения, проводимых
0
Фиг. 3
при одной величине максимальной приложенной силы P (фиг. 2, Ь, с). Переход от шага к шагу происходит при увеличении, либо уменьшении приложенной силы P, в зависимости от выбранного режима нестационарного нагружения.
2.2. Накопление повреждений при нестационарном малоцикловом нагружении. Перейдем к описанию экспериментальных результатов.
На фиг. 3—7 представлены экспериментальные кривые, отражающие зависимость прогиба L балки от приложенной силы P при малоцикловом испытании образцов из алюминиевого сплава Д16-Т и титанового сплава ВТ5-1. Значения приложенной силы приведены в Н, прогиба — в мм. Фиг. 3 соответствует нагружению образцов из Д16-Т в режиме пошагового увеличения максимальной приложенной силы (фиг. 2, Ь). На фиг. 4 приведены аналогичные результаты для титанового сплава ВТ5-1. Для Д16-Т сделано 72 цикла нагружения, для титана число циклов составляло 197.
На фиг. 5, 6 показаны экспериментальные кривые малоциклового нагружения образцов из сплава Д16-Т в режиме уменьшения максимальной приложенной силы (фиг. 2, с). Фиг. 5 соответствует нагружению с одной начальной перегрузкой (90 циклов), фиг. 6 — нагружению с начальной и промежуточными перегрузками (83 цикла). На фиг. 7 приведены кривые малоциклового нагружения образцов из титанового сплава ВТ5-1 в режиме уменьшения максимальной приложенной силы (155 циклов).
На фиг. 3—7 кривая 1 соответствует однократному нагружению образца до разрушения (что соответствует теории из [9]), группа кривых 2, объединенных горизонтальной чертой — малоцикловому нагружению аналогичного образца из той же партии (что соответствует теории из [7]). Крестиками помечены места перехода от пластической деформации с упрочнением к долому образцов (образец в состоянии долома имеет ясно видимую раскрытую усталостную трещину, которая расширяется при дальнейшем нагружении, что сопровождается непрерывным ускоряющимся спадом нагрузки). Прогиб L определяется как разница между текущим вертикальным положением точки приложения силы и соответствующим положением в начале испытания, поэтому все кривые, кроме кривой 1 и первой кривой группы 2 имеют начальный горизонтальный
Фиг. 5
участок с нулевой приложенной силой. Этот участок показывает величину накопленной на предшествующих циклах остаточной деформации. На фиг. 3—7 приведены также увеличенные фрагменты графиков, где числа по вертикальной и горизонтальной осям соответствуют тем же величинам, что и на основном графике.
Фиг. 7
Для некоторых образцов (фиг. 5—7) в начале нагружения наблюдается горизонтальная площадка, следующая за небольшим участком упругого деформирования, которая повторяется без изменения размеров и формы на всех циклах нагружения. Возможно, причиной ее возникновения является незначительный дефект формы этих образцов,
8с 30
20 10 0 10 0 -10
50
80
Ппппппппп nnnnfllifl .....шнни1ППП1111|| —пППГЛПП „„ППППППН -ппПП|1 noli
1 u 1 1 III1 1 1 1 1 1
10 20 30 40 50 60 70 80 N
Фиг. 8
8с 20
0
100
80
60
40
20
0
57
dJlljjilildL^il.Hihi|"iitl.iy Щ|111|И*Ы1|Ы»Ц1|1|Ч иш^чты!
1 I Г
20 40
'I.......Г ' ' 'Г"
60 80
4........il"
100 Фиг. 9
120
180 N
который выправляется в начале наг
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.