Автомодельные закономерности стадийности разрушения и степенные законы роста усталостных трещин

Автомодельные закономерности стадийности разрушения и степенные законы роста усталостных трещин

Автор: Наймарк О.Б., Оборин В.А., Банников М.В., Баяндин Ю.В.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 5, 2024 года.

Бесплатный доступ

Предложена интерпретация подхода механики разрушения, учитывающего «конечность» масштаба когезионной зоны в окрестности вершины распространяющихся трещин (Finite Fracture Mechanics theory), основанная на установленных закономерностях критичности стадийности поврежденности и перехода к разрушению. Многомасштабные закономерности переходов от усталостного повреждения к разрушению и кинетики распространения трещин изучаются для режима сверхмногоцикловой усталости с позиций дуальности сингулярностей, определяющих развитие когезионной зоны (зоны процесса - Process Zone). Дуальность сингулярностей в поведении трещин, распространяющихся в поврежденной среде, связана с наличием двух автомодельных решений: автомодельное решение для распределения поля напряжений в вершине трещины (решение Ирвина) и промежуточно-асимптотические решения, описывающие стадийность развития поврежденности в «зоне процесса» как пространственно-временную сингулярную динамику локализации деформации при формировании автоволновых структур в ансамбле дефектов и локализации поврежденности в «режимах с обострением» - коллективных мод ансамблей дефектов. Пространственные структурные масштабы, определяются по данным количественной профилометрии поверхности разрушения и вычисления масштабных инвариантов, характеризующих разные стадии развития поврежденности в соответствии с установленными типами автомодельных решений. Динамика стадийности развития разрушения соответствует критическому явлению, неравновесному структурно-скейлинговому переходу в ансамблях дефектов, с формированием коллективных степеней свободы, ассоциируемых с коллективными модами ансамблей дефектов. Закономерности критичности позволили предложить интерпретацию феноменологических законов кинетики развития трещин при много- и сверхмногоцикловых нагружениях, установить связь показателей степенных законов в уравнениях Пэриса и Пэриса - Херцберга с масштабными инвариантами рельефа характерных зон поверхностей разрушения. Актуальность постановки определяется важными приложениями - оценкой ресурса материалов и элементов конструкций авиационных газотурбинных двигателей в условиях полетного цикла при случайных динамических воздействиях, в режимах «усталость - выдержка».

Еще

Кинетика многомасштабных повреждений, сверхмногоцикловая усталость, критичность, вызванная дефектами, разрушение, скейлинг, морфология поверхности, уравнение пэриса, показатель херста, рост усталостной трещины

Короткий адрес: https://sciup.org/146283059

IDR: 146283059   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.5.06

Список литературы Автомодельные закономерности стадийности разрушения и степенные законы роста усталостных трещин

  • Taylor, D. Finite fracture mechanics and the theory of critical distances / D. Taylor, P. Cornetti // Advances in Fracture and Damage Mechanics. – 2005. – Vol. IV. – Р. 565–570.
  • Naimark, O.B. Defect-induced transitions as mechanisms of plasticity and failure in multifield continua / O.B. Naimark // Advances in Multifield Theories for Continua with Substructure. – Boston, MA: Birkhäuser Boston, 2004. – Р. 75–114.
  • Naimark, O.B. Energy release rate and criticality of multiscale defects kinetics / O.B. Naimark // International Journal of Fracture. – 2016. – Vol. 202. – Р. 271–279. DOI: 10.1007/s10704-016-0161-3
  • Naimark, O. Duality of singularities of multiscale damage localization and crack advance: length variety in Theory of Critical Distances / O. Naimark // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2019. – Vol. 13, no. 49. – P. 272–281. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.49.27
  • Ritchie, R.O. Mechanics and mechanisms of fatigue damage and crack growth in advanced materials / R.O. Ritchie, C.J. Gilbert, J.M. McNaney // International Journal of Solids and Structures. – 2000. – Vol. 37, no. 1-2. – P. 311–329.
  • Ritchie, R.O. Incomplete self-similarity and fatiguecrack growth / R.O. Ritchie // International Journal of Fracture. – 2005. – Vol. 132. – P. 197–203. DOI: 10.1007/s10704-005-2266-y
  • Mughrabi, H. Microstructural fatigue mechanisms: Cyclic slip irreversibility, crack initiation, non-linear elastic damage analysis / H. Mughrabi // International Journal of Fatigue. – 2013. – Vol. 57. – P. 2-8. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2012.06.007
  • Mughrabi, H. Microstructural mechanisms of cyclic deformation, fatigue crack initiation and early crack growth / H. Mughrabi // Phil. Trans. R. Soc. A. – 2015. – 373: 20140132. DOI: 10.1098/rsta.2014.0132
  • Ботвина, Л.Р. Гигацикловая усталость – новая проблема физики и механики разрушения / Л.Р. Ботвина // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2004. – Т. 70, № 4. – С. 41.
  • Шанявский, А.А. Сверхмногоцикловая усталость металлов. Синергетика и физическая мезомеханика / А.А. Шанявский, А.Д. Никитин, А.П. Солдатенков. – М.: Издательство физико-математической литературы, 2022. – 496 с.
  • Шанявский, А.А. Сверхмногоцикловая усталость алюминиевого сплава Д16Т / А.А. Шанявский, А.Д. Никитин, T. Palin-Luck // Физическая мезомеханика. – 2020. – Т. 23, № 3. – С. 43–53. DOI: 10.24411/1683-805X-2020-13005
  • Никитин, И.С. Развитие повреждений при сверхмногоцикловой усталости / И.С. Никитин, А.Д. Никитин, Б.А. Стратула // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – № 4. – С. 120–129. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.11
  • Никитин, И.С. Комплексное исследование зарождения и роста усталостных трещин при сверхмногоцикловом кручении / И.С. Никитин, А.Д. Никитин, Б.А. Стратула // Физическая мезомеханика. – 2023. – Т. 26, № 3. – С. 50–61. DOI: 10.55652/1683-805X_2023_26_3_50
  • Ботвина, Л.Р. Гигацикловая усталость зубчатого колеса турбокомпрессора / Л.Р. Ботвина, М.Р. Тютин, А.П. Александров // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2022. – Т. 88, № 10. – С. 54–65. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-10-54-65
  • Bathias, C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice / C. Bathias, P.C. Paris // Marcel Dekker Publisher Co. – 2005. – 328 p.
  • Fatigue crack growth from small to large cracks on very high cycle fatigue with fish-eye failures / I. Marines-Garcia [et al.] // Engineering Fracture Mechanics. – 2008. – Vol. 75, no. 6. – P. 1657–1665. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2007.05.015
  • Билалов, Д.А. Влияние интерметаллидных включений на образование подповерхностных трещин в сплаве АМг6 при гигацикловой усталости / Д.А. Билалов, В.А. Оборин, О.Б. Наймарк // Письма о материалах. – 2020. – Т. 10, № 2. – С. 206–210. DOI: 10.22226/2410-3535-2020-2-206-210
  • Critical dynamics of defects and mechanisms of damagefailure transitions in fatigue / O. Naimark, V. Oborin, M. Bannikov, D. Ledon // Materials. – 2021. – Vol. 14, no. 10. – P. 2554. DOI: 10.3390/ma14102554
  • Селезнев, М.Н. Выявление зон усталостной трещины при гигацикловой усталости стали 42CrMo4 с применением количественной фрактографии / М.Н. Селезнев, Е.Д. Мерсон // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. – 2019. – № 3. – С. 33–39.
  • Zaiser, M. Scale invariance in plastic flow of crystalline solids / M. Zaiser // Advances in Physics. – 2006. – Vol. 55. – P. 185–245.
  • Bouchaud, E. Scaling properties of cracks / E. Bouchaud // J. Phys. Condens. Matter. – 1997. – No. 9. – P. 4319–4344.
  • Microstructure scaling properties and fatigue resistance of pre-strained aluminium alloys (part 1: Al–Cu alloy) / C. Froustey, O. Naimark, M. Bannikov, V. Oborin // European Journal of Mechanics-A/Solids. – 2010. – Vol. 29, no. 6. – P. 1008–1014. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2010.07.005
  • Very high cycle fatigue of a high strength steel under sea water corrosion: A strong corrosion and mechanical damage coupling / R. Pérez-Mora, T. Palin-Luc, C. Bathias, P.C. Paris // International Journal of Fatigue. – 2015. – Vol. 74. – P. 156–165. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.01.004
  • Peters, J.O. Influence of foreign object damage on crack initiation and early crack growth during high-cycle fatigue of Ti-6Al-4V / J.O. Peters, R.O. Ritchie // Eng. Fract. Mech. – 2000. – Vol. 67. – P. 193–207.
  • Spanrad, S. Characterisation of foreign object damage (FOD) and early fatigue crack growth in laser shock peened Ti–6Al–4V aerofoil specimens / S. Spanrad, J. Tong // Materials Science and Engineering A. – 2011. – Vol. 528. – P. 2128–2136.
  • Oakley, S.Y. Prediction of the combined high- and lowcycle fatigue performance of gas turbine blades after foreign object damage / S.Y. Oakley, D. Nowell // International Journal of Fatigue. – Vol. 29. – 2007. – P. 69–80.
  • Chen, Xi. Foreign object damage on the leading edge of a thin blade / Xi Chen // Mechanics of Materials. – 2005. – Vol. 37. – P. 447–457.
  • Nowell, D. Prediction of fatigue performance in gas turbine blades after foreign object damage / D. Nowell, P. Duó, I.F. Stewart // International Journal of Fatigue. – 2003. – Vol. 25. – P. 963–969.
  • Franklin, J. Foreign Object Damage in the UK RAF / J. Franklin // National Aerospace FOD Prevention Inc. (NAFPI), 1st Int. conference, London. – 2003.
  • Автомодельные закономерности развития поврежденности и оценка надежности сплавов АМг6 и Д16Т при комбинированном динамическом и гигацикловом нагружении / В.А. Оборин, Ю.В. Баяндин, Д.А. Билалов, М.А. Соковиков, В.В. Чудинов, О.Б. Наймарк // Физическая мезомеханика. – 2018. – Т. 21, № 6. – С. 135–145.
  • Damage evolution in the AlMg6 alloy during high and very high cycle fatigue / M. Bannikov, D. Bilalov, V. Oborin, O. Naimark // Frattura ed Integrita Strutturale. – 2019. – Vol. 13, no. 49. – P. 383–395.
  • Cantrell, J.H. Nonlinear ultrasonic characterization of fatigue microstructures / J.H. Cantrell, W.T. Yost // Int. J. of Fatigue. – 2001. – Vol. 23. – P. 487–490.
  • In situ damage assessment in a cast magnesium alloy during very high cycle fatigue / A. Kumar [et al.] // Scripta Materialia. – 2011. –Vol. 64, no. 1. – P. 65–68.
  • In situ Nonlinear Ultrasonic for Very High Cycle Fatigue Damage Characterization of a Cast Aluminum Alloy / W. Li, H. Cui, W. Wen, X. Su, C.C. Engler-Pinto // Materials Science and Engineering A. – 2015. – No. 645. – P. 248–254.
  • Internal fatigue crack monitoring during ultrasonic fatigue test using temperature measurements and tomography / N. Ranc [et al.] // Mechanics of Materials. – Vol. 174. – 2022. – P. 104471. DOI: 10.1016/j.mechmat.2022.104471
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp