Исследование стадийности разрушения титановых сплавов в режиме много- и гигацикловой усталости на основе морфологии поверхности разрушения
Автор: Банников М.В., Оборин В.А., Наймарк О.Б.
Статья в выпуске: 3, 2015 года.
Бесплатный доступ
Стадии зарождения и распространения усталостной трещины в режимах много- и гигацикловой усталости титановых сплавов с различным состоянием микроструктуры анализировались по поверхностям разрушения. Образцы подвергались нагружению на резонансной усталостной машине Shimadzu USF-2000 в режиме гигацикловой усталости и сервогидравлической BISS bi-00-100 в режиме многоцикловой усталости. Установлено, что титан в субмикрокристаллическом состоянии показывает более высокие свойства к сопротивлению усталости как в многоцикловом, так и в гигацикловом режимах. Методами оптической и электронной микроскопии проведен качественный анализ морфологии поверхности, а использование интерферометра-профилометра New View 5010 позволило установить количественные характеристики профиля поверхности разрушения, по которым определялись масштабно-инвариантные закономерности инициирования и роста трещины. Зарождение трещины происходило как с поверхности образца, в режиме многоцикловой усталости, так и в объеме материала с характерным типом излома - «рыбий глаз» («fish-eye»). Количественная фрактография является эффективным методом исследования роли исходной структурной гетерогенности, накопления дефектов различных масштабных уровней (дислокационных ансамблей, микропор, микротрещин) при оценке критических условий перехода от дисперсного к макроскопическому разрушению. Описание характерных стадий этого перехода, включающих зарождение и развитие трещин, является основой для оценки временного ресурса изделий в условиях усталости. Обнаружены две характерные зоны, сильно отличающиеся друг от друга шероховатостью и, соответственно, значением показателя Херста. В результате анализа скейлинговых закономерностей было установлено, что зона вокруг очага разрушения связана с накоплением микроповреждений, которые обнаруживают коррелированное поведение. По мере циклического нагружения дефекты накапливаются и образуют усталостную трещину критического размера, начиная с которого ее рост подчиняется закону Пэриса.
Количественная фрактография, гигацикловая усталость, титановые сплавы
Короткий адрес: https://sciup.org/146211568
IDR: 146211568 | УДК: 539.4 | DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.02
Researching stages of destruction of titanium alloys during high and gigacycle fatigue by analyzing morphology of fracture surfaces
Fatigue (high- and gigacycle) crack initiation and its propagation in titanium alloys with coarse and fine grain structure are studied by fractography analysis of fracture surfaces. Specimens were loaded using a resonance fatigue machine Shimadzu USF-2000 in gigacycle regime and servohydraulic machine BISS bi-00-100 in high-cycle fatigue regime. Fine grain alloys demonstrated higher fatigue resistance for both HCF and gigacycle fatigue regimes. Fractured specimens were analyzed by interferometer microscope and SEM to improve methods of monitoring damage accumulation during fatigue test and verify the models of fatigue crack kinetics. Fatigue crack initiation occurred from the surface of the sample in high-cycle fatigue regime and bulk of material with a characteristic type of fracture - “fish-eye” in gigacycle fatigue regime. Quantitative fractography is an effective method for investigating the role of the original structural heterogeneity, the accumulation of defects in various scale levels (dislocation ensembles, micropores, microcracks) in the evaluation of the critical conditions for the transition from particulate to the macroscopic fracture. The description of the stages of this transition, including the initiation and propagation of cracks, is the basis for assessing the temporary resource products in terms of fatigue. High resolution profilometry (interferometer-profiler New View 5010) data of fracture surface roughness allowed estimating scale invariance (the Hurst exponent) and establishing the existence of two characteristic areas of damage localization (different values of the Hurst exponent). Area 1 with diameter ~300 µm has the pronounced roughness and is associated with damage localization hotspot. Area 2 shows less amplitude roughness, occupies the rest of fracture surface; and it is considered as the trace of the fatigue crack path corresponding to the Paris kinetics.
Список литературы Исследование стадийности разрушения титановых сплавов в режиме много- и гигацикловой усталости на основе морфологии поверхности разрушения
- Шанявский А.А., Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации. -Уфа: Монография, 2007. -500 c.
- Murakami Y., Endo M. Effect of defects, inclusions and inhomogeneities on fatigue strength//International Journal of Fatigue. -1994. -No. 16. -Р. 163-182.
- Bathias C. There is no infinite fatigue life in metallic materials//Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. -1999. -No. 22. -P. 559-565.
- Murakami Y., Nomoto T., Ueda T. Factors influencing the mechanism of superlong fatigue failure in steels//Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. -1999. -No. 22. -P. 581-590.
- Bathias C., Drouillac L., Le Francois P. How and why the fatigue S-N curve does not approach a horizontal asymptote//International Journal of Fatigue. -2001. -No. 23. -P. 143-151.
- Bathias C., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. -Marcel: Dekker Publisher Co, 2005. -328 p.
- Mughrabi H. Microstructural fatigue mechanisms: Cyclic slip irreversibility, crack initiation, non-linear elastic damage analysis//Int. J. Fatigue. -2013. -Vol. 57. -P. 2-8
- Mughrabi H. Specific features and mechanisms of fatigue in the ultrahigh-cycle regime//Int. J. Fatigue. -2006. -No. 28. -P. 1501-1508.
- Suresh S. Fatigue of materials. -Cambridge University Press; Berlin, 1998.
- Sakai T. Review and Prospects for Current Studies on High Cycle Fatigue of Metallic Materials for Machine Structural Use//Jour. Solid Mech. and Mat. Eng. -2009. -No. 3(3). -P. 425-439.
- Bathias C. Piezoelectric fatigue testing machines and devices//International Journal of Fatigue. -2006. -No. 28. -Р. 1438-1445.
- 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, № 22. -С. 76-82.
- Barenblatt G.I. Scaling Phenomena in Fatigue and Fracture//International Journal of Fracture. -2004. -Vol. 138. -No. 1. -Р. 19-35.
- Bouchaud E. Scaling properties of cracks//J. Phys.: Condens. Matter. -1997. -No. 9. -Р. 4319-4344.
- Оборин В.А., Банников М.В., Наймарк О.Б. Масштабно-инвариантные закономерности эволюции структуры и оценка надежности алюминевых сплавов при последовательных динамических и усталостных нагружениях//Вестник Пермского государственного технического университета. Механика. -2010. -№ 2. -С. 87-97.
