Накопление повреждений в зоне концентрации напряжений по данным неразрушающего и разрушающего метода

Накопление повреждений в зоне концентрации напряжений по данным неразрушающего и разрушающего метода

Автор: Матвиенко Ю.Г., Елеонский С.И., Писарев В.С.

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

Статья в выпуске: 5, 2024 года.

Бесплатный доступ

Разработан и верифицирован новый неразрушающий метод количественного описания накопления повреждений в зоне концентрации напряжений при малоцикловой усталости. Созданный подход основан на эволюции диаметра пластической вмятины, вызванной контактным взаимодействием сферического индентора и плоской поверхности алюминиевого образца на различных этапах малоцикловой усталости. Вдавливание закаленного стального шарика выполняется в непосредственной близости от контура сквозного отверстия в плоском прямоугольном образце. Научная новизна предлагаемого подхода заключается в том, что в качестве текущих индикаторов повреждаемости используются величины трех параметров, связанных с контактной вмятиной, которые получены на основе прямых физических измерений методом спекл-интерферометрии. Для регистрации картин интерференционных полос используется самый простой вариант оптической схемы. На первом этапе показана высокая степень корреляции функций накопления повреждений, построенных с использованием параметров, которые связаны с перемещениями контура отпечатка. Сравнение аналогичных данных, полученных с помощью известного разрушающего подхода и предложенного метода, дает уникальную возможность количественного сравнения результатов двух типов. Это вытекает из того факта, что сопоставляемые данные получены на противоположных поверхностях одного и того же образца с одинаковым уровнем поврежденности. После регистрации картин интерференционных полос, вызванных вдавливанием стальной сферы на одной из внешних сторон образца, на противоположной поверхности того же образца визуализируются интерферограммы, которые генерируются нанесением искусственного надреза при постоянной внешней нагрузке. Величины параметров механики разрушения, которые служат в качестве текущих параметров повреждаемости, определяются для набора образцов на различных этапах малоцикловой усталости. Зависимости этих параметров от количества циклов нагружения позволяют получить явный вид функции накопления повреждений. Такие же функции получены ранее на основе эволюции параметров пластического отпечатка. Сравнение данных двух типов выявляет их высокую корреляцию. Данный факт доказывает надежность неразрушающего метода анализа накопления повреждений на основе вдавливания сферического индентора.

Еще

Малоцикловая усталость, накопление повреждений, индикаторы повреждаемости, контактная вмятина, искусственный надрез, метод спекл-интерферометрии

Короткий адрес: https://sciup.org/146283058

IDR: 146283058   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.5.05

Список литературы Накопление повреждений в зоне концентрации напряжений по данным неразрушающего и разрушающего метода

  • Murakami, S. Continuum Damage Mechanics / S. Murakami. – Springer Dordrecht Heidelberg, London New York, 2012. – 402 p. DOI: 10.1007/978-94-007-2666-6
  • Altenbach, H. Advanced Theories for Deformation, Damage and Failure in Materials / H. Altenbach, A. Gancazarski. – Cham, Springer, 2023. – 289 p.
  • Elias Ferreira, S. Using the strip-yield mechanics to model fatigue crack growth by damage accumulation ahead of the crack tip / S. Elias Ferreira, J. Tupiassú Pinho de Castro, M. Antonio Meggiolaro // International Journal of Fatigue. – 2017. – Vol. 103. – P. 557–575. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.06.039
  • Elias Ferreira, S. Fatigue crack growth predictions based on damage accumulation ahead of the crack tip calculated by stripyield procedures / S. Elias Ferreira, J. Tupiassú Pinho de Castro, M. Antonio Meggiolaro // International Journal of Fatigue. – 2018. – Vol. 115. – P. 89–106. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.03.001
  • Prediction of fatigue life of metastable austenitic steel by a combination of acoustic and eddy current data / V. Mishakin, A. Gonchar, K. Kurashkin, M. Kachanov // International Journal of Fatigue. – 2020. – Vol. 141. – Article: 105846. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105846
  • Haghshenas, A. Damage Accumulation and Crack Initiation Detection Based on the Evolution of Surface Roughness Parameters / A. Haghshenas, M.M. Khonsari // International Journal of Fatigue. – 2017.  Vol. 107. – P. 130–144. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.10.009
  • A new energy-based method to evaluate low-cycle fatigue damage of AISI H11 at elevated temperature / W. Du, Y. Luo, Y. Wang, S. Chen, D. Yu // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. – 2017. – Vol. 40. – P. 994–1004.
  • Lykova, A.V. Studying of accumulation damages regularities under low cycle loading and cycle variable parameters conditions / A.V. Lykova, A.V. Ilinikh // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – No. 747. – 012122.
  • A strain energy density based life prediction model for notched components in low cycle fatigue regime / P. Zhao, T.-Y. Lu, J.-G. Gong, F.-Z. Xuan, F. Berto // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2021. – Vol. 193. – 104458. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2021.104458
  • Лыкова, А.В. Прогнозирование циклической долговечности при малоцикловой усталости с использованием нелинейной модели Марко – Старки / А.В. Лыкова, А.В. Ильиных, В.Э. Вильдеман // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022. – № 3. – С. 14–22. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.02S3
  • Десятникова, М.А. Численное исследование разрушения конструкционных материалов при совместных процессах малоцикловой и многоцикловой усталости [Электронный документ] / М.А. Десятникова // Научная электронная библиотека Российский федеральный ядерный центр-ВНИИЭФ. – URL: http://book. sarov.ru/wp-content/uploads/2022/11/19-molodej-2022-2.pdf (дата обращения: 07.02.2024).
  • Crack tip fields and fracture resistance parameters based on strain gradient plasticity / V. Shlyannikov, A. Tumanov, A. Tartygasheva, E. Martínez-Pañeda // International Journal of Solids and Structures, 2021, Vol. 208-209, pp. 63-82. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2020.10.015
  • Creep crack growth modelling of Grade 91 vessel weldments using a modified ductility based damage model / R. Ragab, J. Parker, M. Li, T. Liu, W. Sun // European Journal of Mechanics- A/Solids. – 2022. – Vol. 91. – 104424. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2021.104424
  • Kosov, D. Complex stress state analysis for aluminum alloy accounting for damage accumulation / D. Kosov, D. Fedorenkov, A. Tumanov // Procedia structural integrity. – 2022. – Vol. 42. – P. 545–552
  • Stepanova, L.V. Nonlinear eigenvalue problems arising from nonlinear fracture mechanics boundary value problems / L.V. Stepanova, E.M. Yakovleva // Procedia Structural Integrity. – 2022. – Vol. 37. – Р. 908–919. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.02.025
  • Shlyannikov, V. Elastic and nonlinear crack tip solutions comparison with respect to failure probability / V. Shlyannikov, A. Tumanov, N. Boychenko // Frattura ed Integrita Strutturale. – 2022. – Vol. 16, no. 62. – P. 1–13. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.62.01
  • Туманов, А.В. Модификация модели накопления повреждений Lemaitre дополнением функции учета локальной многоосности нагружения при нелинейном деформировании / А.В. Туманов // Физическая мезомеханика. – 2023. – Т. 26, № 3. – С. 105–113. DOI: 10.55652/1683-805X_2023_26_3_105
  • Бондарь, В.С. Упругопластическое поведение и разрушение конструкций с концентраторами напряжений при циклических нагружениях / В.С. Бондарь, Д.Р. Абашев, Д.Ю. Фомин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 4. – С. 23–33. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.03
  • Исследование асимптотики поля напряжений в окрестности вершины трещины в условиях ползучести с учетом поврежденности / Д.В. Чаплий, О.Н. Белова, Л.В. Степанова, Ю.С. Быкова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2024. – № 3. – С. 17–38. DOI: 10.15593/perm.mech/2024.3.02
  • Разрушение стали 30ХГСА в условиях смешанных мод нагружения / Л.Р. Ботвина, Е.Н. Белецкий, М.Р. Тютин, Ю.А. Демина, И.О. Синев, А.И. Болотников // Физическая мезомеханика. – 2023. – Т. 26, № 2. – С. 30–42. DOI: 10.55652/1683-805X_2023_26_2_30
  • О методе оценки распределения пластической деформации в области вершины усталостной трещины на основе решения задачи линейной теории упругости / А.Н. Вшивков, А.Ю. Изюмова, И.А. Пантелеев, О.А. Плехов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 6. – С. 41–49. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.6.04
  • Microstructure evolution of Al-12Si-CuNiMg alloy under high temperature low cycle fatigue / J. Liu, Q. Zhang, Z. Zuo, Y. Xiong, F. Ren, A.A. Volinsky // Mater Sci Eng A.  2013.  Vol. 574.  P. 186–190.
  • Low cycle fatigue and Creep-Fatigue behavior on Nibased alloy 230 at 850 °C / X. Chen, Z. Yang, M.A. Sokolov [et all]. // Mater. Sei. and Eng. A. – 2013. – Vol. 563. – P. 152–162. DOI: 10.1016/j.msea.2012.11.063
  • Mishnev, R. Effect of the strain rate on the low cycle fatigue behavior of a 10Cr-2W-Mo-3Co-NbV steel at 650 °C / R. Mishnev, N. Dudova, R. Kaibyshev // International Journal of Fatigue.  2017.  Vol. 100.  Part 1.  P. 113–125. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.03.025
  • Han, Q. Low-cycle multiaxial fatigue behavior and life prediction of Q235B steel welded material / Q. Han, P. Wang, Y. Lu // International Journal of Fatigue.  2019.  Vol. 127.  P. 417–430. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.06.027
  • Deformation mechanism and fatigue life of an Al-12Si alloy at different temperatures and strain rates / M. Wang, J.C. Pang, H.Q. Liu, C.L. Zou, Z.F. Zhang // International Journal of Fatigue.  2019.  Vol. 127.  P. 268–274.
  • Benedetti, M. A novel Strain-Energy-Density based fatigue criterion accounting for mean stress and plasticity effects on the medium-to-high-cycle uniaxial fatigue strength of plain and notched components / M. Benedetti, F. Berto, C. Santus // International Journal of Fatigue. – 2020. – Vol. 133. – 105397. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.105397
  • Influence of static mean stresses on the fatigue behavior of 2024 aluminum alloy under multiaxial loading / A.S. Yankin, V.E. Wildemann, N.S. Belonogov, O.A. Staroverov // Frattura ed Integrita Strutturale.  2020.  Vol. XIV, iss. 51.  P. 151–163.
  • Lykova, A.V. Studying of accumulation damages regularities under low cycle loading and cycle variable parameters conditions / A.V. Lykova, Ilinikh A.V. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – No. 747. – 012122.
  • Influence of additional static stresses on biaxial low-cycle fatigue of 2024 aluminum alloy / A.S. Yankin, A.V. Lykova, A.I. Mugatarov, V.E. Wildemann, A.V. Ilinykh // Fracture and Structural Integrity. – 2022. – Vol. 16, no. 62. – P. 180–193.
  • Косов, Д.А. Анализ напряженно-деформированного состояния алюминиевого сплава Д16Т при сложном напряжённом состоянии с учетом поврежденности / Д.А. Косов, Д.И. Федоренков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 4. – С. 45–53. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.05
  • Matvienko, Yu.G. Evolution of fracture mechanics parameters relevant to narrow notch increment as a measure of fatigue damage accumulation / Yu.G. Matvienko, V.S. Pisarev, S.I. Eleonsky // International Journal of Fatigue. – 2021.  Vol. 149. − Article: 106310. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106310
  • Matvienko, Yu.G. Low-cycle fatigue damage accumulation near the cold-expanded hole by crack compliance data / Yu.G. Matvienko, V.S. Pisarev, S.I. Eleonsky // International Journal of Fatigue. – 2022. – Vol. 155. − Article: 106590. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106590
  • Combining the crack compliance method and speckle interferometry data for determination of stress intensity factors and T-stresses / V.S. Pisarev, Yu.G. Matvienko, I.N. Odintsev, S.I. Eleonsky // Engineering Fracture Mechanics. – 2017.  Vol. 179. – P. 348–374. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2017.04.029
  • Matvienko, Yu.G. Quantification of low-cycle fatigue damage accumulation in stress concentration area by local strain evolution / Yu.G. Matvienko, V.S. Pisarev, S.I. Eleonsky // Procedia Structural Integrity. – 2022. − Vol. 41. − P. 192–198. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.05.021
  • Matvienko, Yu.G. Quantitative description of low-cycle fatigue damage accumulation in contact interaction zone by local strain evolution / Yu.G. Matvienko, V.S. Pisarev, S.I. Eleonsky // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2022. – Vol. 62. − P. 541–560. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.62.37
  • Работнов, Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела / Ю.Н. Работнов. − М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. − 743 с.
  • Москвитин, В.В. Циклическое нагружение элементов конструкций / В.В. Москвитин. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. – 344 с.
  • Мовчан, А.А. Микромеханический подход к проблеме описания накопления анизотропных рассеянных повреждений / А.А. Мовчан // Известия АН СССР. Механика Твердого Тела. – 1990. – № 3. – С. 115–123.
  • Мовчан, А.А. Механика накопления рассеянных повреждений в элементах конструкций: учеб. пособие / А.А. Мовчан. – М.: Издательство МАИ, 1996. – 64 с.
  • Шанявский, А.А. Модели зарождения и развития усталостного разрушения под поверхностью металлов / А.А. Шанявский // Научный вестник МГТУ ГА. – 2012. – № 179. – С. 32–44.
  • Rastogi, P. Digital speckle pattern interferometry and related techniques / P. Rastogi. − Wiley, West Sussex, 2001. – 384 p.
  • On the experimental characterisation of the crack tip displacement fields on nonplanar elements: Numerical and experimental analysis / A. Camacho-Reyes, F.V. Antunes, J.M. Vasco- Olmo, F.A. Diaz, L.A. Felipe-Sese // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2023. – Vol. 124. – 103803. DOI: 10.1016/j.tafmec.2023.103803
  • Stepanova, L.V. Coefficients of the Williams power expansion of the near crack tip stress field in continuum linear elastic fracture mechanics at the nanoscale / L.V. Stepanova, O.N. Belova // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2022. – Vol. 119. – 103298. DOI: 10.1016/j.tafmec.2022.103298
  • Stepanova, L.V. Stress intensity factors, T-stresses and higher order coefficients of the Williams series expansion and their evaluation through molecular dynamics simulation / L.V. Stepanova, O.N. Belova // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2022. DOI: 10.1080/ 15376494.2022.2084800
  • Ayatollahi, M.R. Digital image correlation methos for calculating coefficients of Williams expansion in compact tension specimen / M.R. Ayatollahi, M. Moazzami // Optics and Lasers in Engineering. – 2017. – Vol. 90. – P. 26–33. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2016.09.011
  • Развитие метода корреляции цифровых изображений для изучения процессов деформации и разрушения конструкционных материалов / П.С. Любутин, С.В. Панин, В.В. Титков, А.В. Еремин, Р. Сундер // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 1. – С. 87–107. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.08
  • Исследование кинетики разрушения сплава Д16ч методами акустической эмиссии, корреляции цифровых изображений и изучения реальной поврежденности / Л.Р. Ботвина, А.И. Болотников, И.О. Синев, М.Р. Тютин, Е.Н. Белецкий // Металлы. – 2022. – № 4. – С. 15–23.
  • Shuai, J. Simple crack tip and stress intensity factor determination method for mode I crack using digital image correlation nanoscale / J. Shuai, J. Zhao, L. Lei // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2022. – Vol. 122. – 103621. DOI: 10.1016/j.tafmec.2022.103621
  • Анисимов, Г.С. Экспериментальное определение полей у вершины трещины: метод голографической интерферометрии и метод корреляции цифровых изображений / Г.С. Анисимов, Л.В. Степанова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2024. – № 3. – С. 39–56. DOI: 10.15593/perm.mech/2024.3.03
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp