Развитие повреждений при сверхмногоцикловой усталости
Автор: Никитин И.С., Никитин А.Д., Стратула Б.А.
Статья в выпуске: 4, 2020 года.
Бесплатный доступ
В работе дается описание метода испытаний металлических материалов с использованием пьезоэлектрических нагружающих элементов в области сверхмногоцикловой усталости (СВМУ). Обсуждается схема и устройство высокочастотной усталостной установки. Для проведения экспериментов рассчитывается первая мода резонансных продольных колебаний, соответствующих собственным частотам цилиндрического корсетного образца. Приводятся результаты некоторых экспериментов по сверхмногоцикловому усталостному разрушению образцов титанового сплава ВТ3-1 при различных коэффициентах асимметрии цикла. Проведено математическое моделирование процесса развития усталостных повреждений в области СВМУ. Для этого используется бимодальное представление усталостной кривой. Это представление содержит две ветви: левая ветвь соответствует классическим режимам малоцикловой и многоцикловой усталости, а правая ветвь описывает режим сверхмногоцикловой усталости. На этой основе построена кинетическая модель, ассоциированная с известным критерием многоосного усталостного разрушения SWT, в котором заложен механизм, связанный с развитием микротрещин нормального отрыва. Данную кинетическую модель развития повреждаемости можно использовать для расчета различных режимов усталостного разрушения - от малоцикловой до сверхмногоцикловой усталости. На основе этой модели разработан численный метод решения эволюционного уравнения для функции повреждаемости. Усталостное разрушение материала в данной модели связано с деградацией его модулей упругости по мере роста функции повреждаемости. Проведены расчеты развития трещиноподобных зон усталостного разрушения титановых корсетных образцов при различных коэффициентах асимметрии циклического нагружения, использованных при испытаниях на пьезоэлектрической установке. Для проверки работоспособности модели проведено сравнение экспериментальных и расчетных усталостных кривых в области СВМУ.
Усталостное разрушение, сверхмногоцикловая усталость, пьезоэлектрическая установка, мультирежимная модель, уравнение повреждаемости, многоосный критерий
Короткий адрес: https://sciup.org/146282010
IDR: 146282010 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.11
Список литературы Развитие повреждений при сверхмногоцикловой усталости
- Wohler A. Uber die festigkeits-versuchemiteisen und stahl. Zeitschrift fur Bauwesen, XX:73, 1870 – P. 106.
- Naito T., Ueda H., Kikuchi M. Fatigue behavior of carburized steel with internal oxides and nonmartensitic microstructure near the surface // Metallurgical Transaction. – 1984. – Vol. 15A. – Р. 1431–143.
- Marines I., Bin X., Bathias C. An understanding of very high cycle fatigue of metals // Int. J. of Fatigue. – 2003. – Vol. 25(9–11). – Р. 1101–1107.
- Bathias C., Drouillac L., Le Francois P. How and why the fatigue S-N curve does not approach a horizontal asymptote // Int. J. of Fatigue. – 2001. – Vol. 23. – Р. 143–151.
- Bathias C. There is no infinite fatigue life in metallic materials // FFEMS. – 1999. – Vol. 22. – Р. 559–565.
- Bathias C., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. – New York: Dekker, 2005. – 328 p.
- Basquin O.H. The exponential law of endurance tests // Proc of the American society for testing and material. – 1910. – Vol. 10. – Р. 625–630.
- Sines G. Behavior of metals under complex static and alternating stresses // Metal fatigue. McGraw-Hill. – 1959. – Р. 145–169.
- Crossland B. Effect of large hydrostatic pressures on torsional fatigue strength of an alloy steel // Proc. Int. Conf. on Fatigue of Metals. – London, 1959. – Р. 138–149.
- Findley W. A theory for the effect of mean stress on fatigue of metals under combined torsion and axial load or bending // J. of Eng. for Indust. – 1959. – Р. 301–306.
- Morel F. A critical plane approach for life prediction of high cycle fatigue under multiaxial variable amplitude loading // Int. J. of Fatigue. – 2000. – Vol. 22(2). – Р. 101–119.
- Matake T. An explanation on fatigue limit under combined stress // Bull JSME. – 1977. – Vol. 20. – Р. 257–263.
- McDiarmid D.L. A shear stress based critical-plane criterion of multiaxial fatigue failure for design and life prediction // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. – 1999. – Vol. 17. – pp. 1475-1484.
- Papadopoulos I.V. Long life fatigue under multiaxial loading // International Journal of Fatigue. – 2001. – Vol. 23. – Р. 839–849.
- Carpinteri A., Spagnoli A., Vantadori S. Multiaxial assessment using a simplified critical plane based criterion // International Journal of Fatigue. – 2011. – Vol. 33. – Р. 969–976.
- Meggiolaro M.A., Miranda A.C., de Castro J. Comparison among fatigue life prediction methods and stress-strain models under multiaxial loading // Proceedings of 19th Int. Congress of Mech. Eng. – Brasilia, DF, 2011.
- Karolczuk A., Papuga J., Palin-Luc T. Progress in fatigue life calculation by implementing life-dependent material parameters in multiaxial fatigue criteria // International Journal of Fatigue. – 2020. – Vol. 134. – 105509.
- Bourago N.G., Zhuravlev A.B., Nikitin I.S. Models of multiaxial fatigue fracture and service life estimation of structural elements // Mechanics of Solids. – 2011. – Vol. 46(6). – Р. 828–838.
- Paris P.C., Erdogan F. A critical analysis of crack propagation laws // Journal of Basic Engineering. – 1963. – Vol. 85. – P. 528–533.
- Collins J.A. Failure of Materials in Mechanical Design: Analysis, Prediction, Prevention. – New York: Wiley, 1993. – 654 p.
- Shlyannikov V.N. Creep-Fatigue crack growth rate prediction based on fracture damage zones models // Engineering Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 214. – P. 449–463.
- Nikitin A.D., Nikitin I.S., Stratula B.A. The modeling of the edge fatigue crack growth under high frequency loading // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2019. – Vol. 3. – P. 65–74.
- Качанов Л.М. О времени разрушения в условиях ползучести // Изв. АН СССР ОТН. – 1958. – № 8. – С. 26–31.
- Работнов Ю.Н. О механизме длительного разруше- ния. Вопросы прочности материалов и конструкций // АН СССР ОТН. – 1958. – С. 5–7.
- Murakami S. Continuum Damage Mechanics. A continuum mechanics approach to the analysis of damage and fracture. – Dordrecht: Springer, 2012. – 402 p.
- Lemaitre J., Chaboche J.L. Mechanics of solid materials. – Cambridge University Press, 1994. – 582 p.
- Marmi A.K., Habraken A.M., Duchene L. Multiaxial fatigue damage modeling at macro scale of Ti6Al4V alloy // Int. J. of fatigue. – 2009. – Vol. 31. – P. 2031–2040.
- The study of a defect evolution in iron under fatigue loading in gigacycle fatigue regime / O. Plekhov, O. Naimark [et al.] // Frattura ed Integrita Strutturale. – 2016. – Vol. 10(35). – P. 414–423.
- Мультирежимная модель развития усталостных повреждений / И.С. Никитин, Н.Г. Бураго, А.Б. Журавлев, А.Д. Никитин // Прикладная математика и механика. – 2020. – № 84(5). – С. 687–698.
- Burago N.G., Nikitin I.S. Multiaxial fatigue criteria and durability of titanium compressor disks in low- and giga-cycle fatigue modes // Heidelberg. Springer. Mathematical Modeling and Optimization of Complex Structures. – 2016. – P. 117–130.
- Smith R.N., Watson P., Topper T.H. A stress-strain parameter for the fatigue of metals // J. of Materials. – 1970. – Vol. 5(4). – P. 767–778.
- Gates N., Fatemi A. Multiaxial variable amplitude fatigue life analysis including notch effects // Int. J. of fatigue. – 2016. – Vol. 91. – P. 337–351.
- Algorithms for calculation damage processes / N.G. Burago, I.S. Nikitin, A.D. Nikitin, B.A. Stratula // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2019. – Vol. 49. – P. 212–224.
- Burago N.G., Nikitin I.S. Algorithms of through calculation for damage processes // Computer Research and Modeling. – 2018. – Vol. 10(5). – P. 645–666.
