Фрактальный анализ поверхности разрушения сплава амг6 при усталостном и динамическом нагружении
Автор: Оборин В.А., Банников М.В., Баяндин Ю.В., Соковиков М.А., Билалов Д.А., Наймарк О.Б.
Статья в выпуске: 2, 2015 года.
Бесплатный доступ
Исследованы локализация деформации при высокоскоростном деформировании и распространение усталостных трещин в режиме гигациклового нагружения в сплаве алюминия и магния АМг6. Локализация пластической деформации в условиях, близких к чистому сдвигу, исследовалась на образцах типа «сдвиг-сжатие», которые испытывались на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского. После эксперимента сохраненные образцы подвергались микроструктурному анализу с помощью оптического интерферометра-профилометра New-View 5010. Усталостное нагружение осуществлялось на ультразвуковой испытательной машине Shimadzu USF-2000, которая позволяет испытывать образцы на базе 10 9-10 10 циклов с амплитудой от одного и до нескольких десятков микрон с частотой 20 кГц, что сокращает время испытания до нескольких дней, в отличие от классических усталостных установок, в которых такое число циклов достигается за годы испытаний. В качестве метода количественного анализа для установления корреляций между механическими свойствами и масштабно-инвариантными (скейлинговыми) характеристиками дефектных структур, формирующихся в процессе динамического нагружения, и гигацикловой усталости использовались данные профилометрии, полученные с помощью интерферометра-профилометра New View 5010 (разрешение от 0,1 нм). В статье предложено оригинальное кинетическое уравнение, устанавливающее связь между скоростью роста усталостной трещины, изменением коэффициента интенсивности напряжений и масштабными инвариантами, характеризующими коррелированное поведение дефектов различных структурных уровней. Показана связь параметров кинетического уравнения (показатель степени в обобщенном законе Пэриса) с масштабными инвариантами дефектных структур, формирующих рельеф поверхности разрушения в процессе гигациклового нагружения.
Разрушение, гигацикловая усталость, скейлинг, морфология поверхности, фрактальный анализ, закон пэриса
Короткий адрес: https://sciup.org/146211555
IDR: 146211555 | УДК: 538.951-405 | DOI: 10.15593/perm.mech/2015.2.07
Fractal analysis of fracture surface of aluminum alloy amg6 under fatigue and dynamic loading
In this paper we investigated the localization of deformation during high-speed deformation and fatigue crack propagation in gigacycle loading regime in the aluminum-magnesium alloy AMg6. Localization of plastic deformation under conditions closely approximating simple shear was investigated using the shear-compression specimens (SCS) tested on the split-Hopkinson bar device. After the experiment the maintained specimens were subject to microstructure analysis using the NewView-5010 optical interferometer. Fatigue tests were conducted on Shimadzu USF-2000 ultrasonic fatigue testing machine. This machine provides 109-1010 loading cycles with the amplitude from 1 to several dozens of microns and frequency of 20 kHz, which reduces testing time to a few days, as opposed to the classical fatigue testing machines, in which the same number of cycles can be reached only in few years. The New View 5010 interferometer-profiler of high structural resolution (resolution of 0,1 nm) was used as an instrument of qualitative analysis, which provided data allowing us to find correlation between the mechanical properties and scale-invariant characteristics of defective structures formed under dynamic and gigacycle fatigue loading conditions. The authors propose an original form of writing the kinetic equation, which relates the rate of the fatigue crack growth with a change in the stress intensity factor. The scale invariance of defect structures responsible for the formation of the fracture surface relief under gigacycle fatigue loading was found to be related to the power exponent of the Paris law.
Список литературы Фрактальный анализ поверхности разрушения сплава амг6 при усталостном и динамическом нагружении
- Zaiser M. Scale invariance in plastic flow of crystalline solids//Advances in Physics. -2006. -Vol. 55. -P. 185-245.
- Федер Е. Фракталы. -М.: Мир, 1991. -254 с.
- Bouchaud E. Scaling properties of cracks//J. Phys. Condens. Matter. -1997. -Vol. 9. -P. 4319-4344.
- Mandelbrot B.B. The fractal geometry of nature. -N.Y.: Freeman, 1983. -480 p.
- Paris P., Lados D., Tad H. Reflections on identifying the real DKeffective in the threshold region and beyond//Engineering Fracture Mechanics. -2008. -Vol. 75. -P. 299-3052.
- Barenblatt G.I. Scaling phenomena in fatigue and fracture//Int. J. of Fracture. -2006. -Vol. 138. -P. 19-35.
- Ritchie R.O. Incomplete self-similarity and fatigue-crack growth//Int. J. of Fracture. -2005. -Vol. 132. -P. 197-203.
- Масштабная инвариантность роста усталостной трещины при гигацикловом режиме нагружения/В.А. Оборин, М.В. Банников, О.Б. Наймарк, T. Palin-Luc//Письма в журнал технической физики. -2010. -Т. 36. -Вып. 22. -C. 76-82.
- Ботвина Л.Р. Гигацикловая усталость -новая проблема физики и механики разрушения//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2004. -Т. 70, № 4. -С. 41.
- Bathias С., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. -New York: CRC Press, 2004. -328 p.
- 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. -P. 1008-1014.
- A wavelet-based method for multifractal analysis in medical signals: application to dynamic infrared thermograms of breast cancer/E. Gerasimova, B. Audit, S.-G. Roux, A. Khalil, O. Gileva, F. Argoul, O. Naimark, A. Arneodo//Nonlinear dynamics of electronic systems. Communication in computer and information science. -2014. -Vol. 438. -P. 288-300.
- Scaling behavior of high resolution temporal rainfall: New insights from a wavelet-based cumulant analysis/V. Venugopal, S.G. Roux, E. Foufoula-Georgiou, A. Arneodo//Phys. Let. A. -2006. -Vol. 348. -P. 335-345.
- Rittel D., G. Ravichandran, Venkert A. The mechanical response of pure iron at high strain rates under dominant shear//Materials Science and Engineering A. -2006. -Vol. 432. -P. 191-201.
