Разработка методов оценки циклических и статических свойств металлических материалов с учетом особенностей технологических построечных операций и возможных режимов эксплуатации корпусов подводных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.01, кандидат наук Нигматуллин, Владимир Игоревич

• Нигматуллин, Владимир Игоревич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Нигматуллин, Владимир Игоревич

Содержание

Введение

Глава 1 Экспериментальное исследование циклической трещиностойкости металлических конструкционных материалов

§ 1 Обзор современного состояния изучаемой проблемы

§2 Определение остаточного раскрытия трещины в процессе циклического

нагружения

§3 Определение остаточного раскрытия при последовательном

углублении надреза в призматическом образце

§4 Обработка экспериментальных данных и результаты испытаний с учетом

асимметрии цикла

§5 Циклическаятрещиностойкость при коэффициенте асимметрии Лр <0 и

ДР >1

Глава 2 Циклическая трещиностойкость металлического материала при

наличии остаточных сварочных напряжений

§ 1 Расчетно-экспериментальная оценка коэффициента интенсивности напряжений, обусловленного остаточными сварочными напряжениями

§2 Определение остаточного раскрытия трещины в процессе циклического нагружения

§3 Определение остаточного раскрытия при последовательном

углублении надреза в призматическом образце

§4 Оценка коэффициента интенсивности напряжений с учетом сварочных напряжений

§5 Построение зависимостей с1а! с!М — ЛА^ для сварных соединений

Глава 3 Экспериментальное исследование изменения упруго - пластических свойств металлов после предварительного пластического деформирования и оценка влияния технологических построечных операций на устойчивость круговых цилиндрических оболочек

§ 1 Экспериментальное исследование упруго - пластических свойств металлов

после предварительного пластического нагружения

§2 Учет влияния предварительного пластического деформирования при

экспандировании трубы

§3 Учет влияния предварительного пластического деформирования при

формировании цилиндрической оболочки путем холодного загиба

Заключение

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов оценки циклических и статических свойств металлических материалов с учетом особенностей технологических построечных операций и возможных режимов эксплуатации корпусов подводных объектов»

Введение

Прочность и надежность конструкций корпусов подводных объектов в значительной степени определяется механическими свойствами используемых материалов и особенностями принятых технологических процессов. Эти процессы могут оказывать отрицательное воздействие на поведение конструкций как непосредственно (появление дефектов, полей остаточных напряжений) так и путем изменения механических свойств материала. Внедрение в судостроение новых корпусных материалов и технологических процессов, таких как глубокое пластическое деформирование «в холодную», экспанди-рование труб, вызывает необходимость изучения влияния этих процессов на прочность.

Не менее важной для обеспечения прочности и работоспособности корпуса является проблема детального учета и оценки характера эксплуатации его конструкций в отношении переменности нагрузок.

Хотя оба этих направления работ были в поле внимания специалистов в области прочности конструкций, степень проработанности отмеченных вопросов нельзя признать удовлетворительной. Так, например, не подвергались подробному анализу такие вопросы, как роль эффекта Баушингера, асимметрии напряженного состояния в районах возможных дефектов конструкции, влияние остаточных сварочных напряжений и ряд других.

В предлагаемой диссертационной работе автором экспериментально исследованы указанные факторы. Показано существенное влияние коэффициента асимметрии цикла на кинетику роста усталостной трещины. Предложено аналитически получать критическое значение коэффициента интенсивности напряжений по результатам испытаний при различных коэффициентах асимметрии цикла. Проанализировано различие между коэффициентом асимметрии цикла по нагрузке и по коэффициенту интенсивности в вершине трещины при различных случаях нагружения. Рассмотрено влияние эффекта Баушингера на устойчивость цилиндрических оболочек и подводных трубопроводов.

Автором созданы уточненные методы прогнозирования малоцикловой (число циклов 103 4-104) и статической прочности металлических материалов в составе корпусов подводных объектов с учетом реальных условий нагру-жения конструкций и изменения механических свойств материала под воздействием технологических процессов.

Разработанные автором в диссертационной работе новые уточненные оценки механических свойств материала расширяют объем информации, характеризующей циклическую долговечность сварных соединений и элементов конструкции прочного корпуса, и позволяют дать обоснованную оценку допускаемых циклических напряжений в сварных соединениях, соответствующих заданному количеству циклов нагружения.

В диссертационной работе выбраны следующие направления работ:

- анализ и обобщение результатов исследований закономерностей поведения металлов в области малоциклового нагружения; разработка методов экспериментальных исследований усталостного разрушения металлов при наличии усталостной трещины;

- экспериментальное исследование распространения трещин в материале при циклических нагрузках на последнем этапе ее роста при размахе коэффициента интенсивности напряжений, близком к критическому;

- выявление и разработка методов экспериментального определения новых параметров, отражающих специфику поведения трещины в конструкции на предкритическом этапе ее развития;

- экспериментальное исследование и последующая разработка методов учета влияния остаточных сварочных напряжений на циклическую трещино-стойкость элементов конструкции;

- выявление параметров, характеризующих изменение упруго - пластических свойств материала при изменении знака приложенной внешней нагрузки, и оценка влияния их изменения на характеристики прочности и надежности конструкций.

При выполнении работы получены следующие основные результаты:

1 Разработан уточненный метод прогнозирования поведения имеющего начальные повреждения материала в составе корпусов подводных объектов при ограниченном числе нагружений (малоцикловая трещиностойкость). В разработанном методе, в отличие от действующих, учтена асимметрия напряженного состояния, связанная с особенностями эксплуатации объекта и наличием остаточных напряжений производственного происхождения.

2 Установлен ряд новых свойств материалов, важных для оценки их поведения в конструкции и, в частности:

- выявлено существенное влияние на скорость развития повреждений в конструкциях степени асимметрии цикла нагружения; выявленная особенность должна учитываться как при обработке экспериментальных данных, так и выполнении расчетов циклической долговечности конструкции;

- выявлено, что при асимметрии цикла по нагрузке, характеризующейся существенным превышением по абсолютному значению сжимающих напряжений над растягивающими, скорость развития трещины уменьшается по мере уменьшения коэффициента асимметрии. При некотором предельном значении коэффициента асимметрии трещина в пределах рассматриваемого числа нагружений (103 -г 104 циклов) практически не развивается.

3 Установлены возможность и порядок косвенного определения критического значения коэффициента интенсивности напряжений и параметров, входящих в соотношение Р. Формена, на основании испытаний образцов при разной асимметрии цикла нагружения.

4 Подтверждено, что холодная обработка металлов, сопровождающаяся пластическими деформациями, приводит к существенному изменению свойств металлов. Если последующее нагружение приводит к пластическим деформациям противоположного знака, то свойства фактически вновь полученного материала требуют специального экспериментального исследования. Получены систематизированные данные о влиянии предварительного пластического деформирования на поведение материала при нагружении обратного знака.

5 Разработан приближенный метод влияния предварительного деформирования на устойчивость круговых цилиндрических оболочек, загруженных равномерным внешним давлением.

6 Использование полученных результатов позволит произвести обоснованную корректировку предельно допустимых уровней напряжений, количества циклов нагружения и периодичности осмотров конструкции, усовершенствован процесс аттестации новых материалов.

На основе полученных теоретических и экспериментальных данных разработана методика ИМЯН 32-372-10 МИ «Металлические материалы. Испытания при циклическом нагружении. Методика оценки циклической тре-щиностойкости» и программное обеспечение для автоматической обработки результатов испытаний на кинетику роста усталостной трещины ИМЯН. 0302. 01 - 01 «СЯАСК_СУСЬЕ» и методика ИМЯН 32-407-14 МИ «Металлические материалы. Испытания при статическом нагружении. Оценка влияния предварительного пластического деформирования на упруго-пластические свойства материала. Методика». Результаты проведенных в данной работе теоретических и экспериментальных исследований вошли в отчеты по темам «Магистраль», «Порошок», «Перспектива - 3», «Корпус 949 АМ-ОКК-К», «Эффективность», «Оболочка - К», «Барьер - К» и «Приемка». Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- конференция по строительной механике корабля памяти академика Ю. А. Шиманского, 2008 г.;

-VI международная конференция «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях», 2011 г.;

- конференция по строительной механике корабля памяти академика Ю. А. Шиманского, 2011 г;

- конференция по строительной механике корабля памяти профессора П. Ф. Папковича, 2012 г.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 9 печатных изданиях и 1 электронном.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1 Рыбакина О. Г., Нигматуллин В. И. Влияние асимметрии цикла, обусловленной остаточными сварочными напряжениями, на циклическую тре-щиностойкость металлов// Труды Центрального научно - исследовательского института им. акад. А. Н. Крылова, СПб, вып. 56 (340), 2010, с. 97 - 106.

2 Нигматуллин В. И. Экспериментальное исследование влияния предварительной пластической деформации на поведение конструкционных сталей при обратном нагружении// Труды Центрального научно - исследовательского института им. акад. А. Н. Крылова, СПб, вып. 60 (344), 2011, с. 119 -132.

3 Нигматуллин В. И. Циклическая трещиностойкость высокопрочной стали на стадии, предшествующей разрушению// Труды Центрального научно - исследовательского института им. акад. А. Н. Крылова, СПб, вып. 67 (351), 2012, с. 93 - 98.

4 Нигматуллин В.И., Палий О.М., Рыбакина О.Г. Экспериментальная оценка влияния сжимающих напряжений на циклическую трещиностойкость конструкционных материалов// Труды Крыловского государственного научного центра, СПб, вып. 75 (359), 2013, с. 61 - 68.

5 Палий О.М., Рыбакина О.Г., Нигматуллин В.И. Приближенная оценка влияния предварительного пластического деформирования материала на устойчивость оболочек// Труды Крыловского государственного научного центра, СПб, вып. 75 (359), 2013, с. 118 -124.

В других изданиях:

6 Нигматуллин В. И. Влияние на расчетные параметры циклической трещиностойкости материалов методов обработки результатов эксперимен-

та// Сборник научных трудов I Всероссийского конкурса молодых ученых «Механика и процессы управления», Екатеринбург, 2009, с. 75 - 84.

7 Рыбакина О. Г. Нигматуллин. В. И. Влияние асимметрии цикла, обусловленной остаточными сварочными напряжениями на циклическую тре-щиностойкость металлов// Тезисы докладов конференции по строительной механике корабля памяти академика Ю. А. Шиманского, ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, СПб, 2008, с. 112 - ИЗ.

8 Нигматуллин В. И. Циклическая трещиностойкость высокопрочной стали на стадии, предшествующей разрушению// Тезисы докладов конференции по строительной механике корабля памяти академика Ю. А. Шиманского, ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, СПб, 2011, с. 68 - 69.

9 Nigmatullin V. I. Preliminary plastic strain impact in calculations of structures dedicated to reverse - sign déformations// Proceedings of 6th International Conférence NAVY and shipbuilding nowadays.

10 Нигматуллин В. И., Палий О. M., Рыбакина О. Г. Влияние компоненты сжатия на циклическую трещиностойкость конструкционных материалов// Тезисы докладов конференции по строительной механике корабля памяти академика П. Ф. Папковича, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», СПб, 2012, с. 93 - 94.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованных источников из 38 наименований, 3 приложений, 40 рисунков, 6 таблиц. Общий объем основного текста с иллюстрациями составляет 92 страницы.

Глава 1 Экспериментальное исследование циклической трещиностойко-сти металлических конструкционных материалов

В первой главе диссертационной работы выполнен анализ и обобщение результатов существующих исследований общих закономерностей и методологии экспериментальных исследований усталостного разрушения металлов при наличии усталостной трещины в области малоциклового нагру-жения; получены результаты экспериментального исследования распространения трещины при циклических нагрузках на последнем этапе ее роста при размахе коэффициента интенсивности напряжений, близком к критическому; построены уточненные математические модели распространения усталостной трещины на основе обработанных данных эксперимента и основных положений линейной механики разрушения; проведено экспериментальное исследование влияния асимметрии цикла на скорость распространения усталостной трещины в условиях циклического изгиба, растяжения - растяжения, растяжения - сжатия и сжатия - сжатия.

§ 1 Обзор современного состояния изучаемой проблемы

При повторяющихся циклических нагружениях материал может разрушиться от усталости при напряжениях, которые существенно ниже, чем вызывающие статическое разрушение. Исследования скорости роста усталостных трещин в рамках линейной механики разрушения показывают, что основным определяющим ее параметром является размах коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины АВажную роль при оценке циклической трещиностойкости имеет коэффициент асимметрии по нагрузке Яр, то есть отношение минимальной и максимальной нагрузок цикла, и коэффициент асимметрии по коэффициенту интенсивности напряжений Як , то

есть отношение минимального и максимального коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины. Внешняя нагрузка может вызывать как

раскрытие, так и закрытие трещины. В первом случае нагрузка Р имеет положительный знак, во втором - отрицательный.

Коэффициент асимметрии по нагрузке Яр =Рт[п/Рта11 может принимать любое значение -оо <ЯР < +оо; при этом 0 < В.р < 1, если все нагружение происходит в области раскрытия трещины (пульсирующее растяжение, знакопостоянный изгиб); Яр < 0, если максимальная нагрузка вызывает раскрытие трещины, а минимальная - ее закрытие (растяжение - сжатие, знакопеременный изгиб); Яр> 1, если все нагружение происходит в области закрытия трещины (пульсирующее сжатие). В сложных случаях вида нагрузки и геометрии элемента конструкции и трещины факт раскрытия или закрытия трещины может быть установлен в результате расчета. В диссертационной работе экспериментальное исследование трещиностойкости металла проводилось в условиях знакопостоянного изгиба и растяжения - сжатия.

Определение коэффициента асимметрии по коэффициенту интенсивности напряжений Як требует специального рассмотрения. В соответствии с

основными положениями механики разрушения коэффициент интенсивности напряжений характеризует напряженно - деформированное состояние в окрестности раскрытой трещины, следовательно, по определению, считается величиной неотрицательной. Если при проведении расчетов получается отрицательное значение , принимается К{ = 0. При такой постановке вопроса очевидно, что 0 < Лк < 1. Однако экспериментальные исследования в условиях циклических нагружений показывают, что наличие такого участка нагрузки, который приводит к закрытию трещины, оказывает определенное влияние на скорость роста усталостной трещины. Это влияние обусловлено тем, что смыкание поверхностей трещины приводит к их сглаживанию, а сжимающие напряжения могут привести к перераспределению напряжений в окрестности вершины трещины. В ряде работ [2, 3], где используется параметр ЯК1 = К1Ып/К1т!1Х, предполагается, что Як может быть как положительным,

так и отрицательным. В этих работах К[т{п вычисляется по формулам линей-

ной механики разрушения и при />т;п < 0, и при Pmin > 0, т.е. используется формальный параметр Klmin <0, не имеющий определенного механического смысла. При этом оказывается, что закономерности, характеризующие скорость роста усталостной трещины как функции существенно различаются для 0 < RK < 1 (сжатие отсутствует) и RK < 0 (сжатие с растяжением) или RK >1 (только сжатие).

Полная усталостная кривая обычно строится в двойных логарифмических координатах и представляет собой монотонно возрастающую S-образную кривую, ограниченную вертикальными асимптотами (рисунок 1). Эти асимптоты соответствуют размаху порогового значения коэффициента интенсивности напряжений АКл (threshold - пороговый, порог усталости), ниже которого трещина не растет, и критическому его значению, при достижении которого наступает неустойчивый рост трещины.

В известных публикациях О. Восиковского, [1] М. Миллера [2], Р. Рит-чи, [4] А. Охта [5] и др. рассматривается только влияние RP, т.е. асимметрия коэффициента RK обусловлена асимметрией приложенной внешней нагрузки; отмечается, что зависимость скорости роста трещины от коэффициента асимметрии усиливается для высокопрочных материалов. Показано, что наибольшее увеличение роста скорости усталостной трещины с ростом коэффициента асимметрии имеет место в областях А и С (рисунок 1), однако и в области В оно существенно.

ОБЛАСТЬ С /

- / / / / s / /s / 1 /v

У/ /А /s//

УВЕЛИЧЕНИЕ R // / ОБЛАСТЬ R

-

кш дк

Рисунок 1 - Влияние асимметрии цикла на циклическую трещиностойкость ме-_таллов__

Необходимо различать три качественно разных случая:

1) 0 < Яр < 1 - фронт трещины все время находится в области растягивающих напряжений (знакопостоянный изгиб, растяжение);

2) Кр < 0 - фронт трещины попеременно находится в области растягивающих и сжимающих напряжений (знакопеременный изгиб, растяжение-сжатие);

3) Яр > 1 - фронт трещины все время находится в области сжимающих напряжений (знакопостоянный изгиб, сжатие).

В самом распространенном случае 0 < Яр < 1 и при отсутствии остаточных сварочных напряжений коэффициент асимметрии нагрузки и коэффициент асимметрии коэффициента интенсивности напряжений совпадают, если в процессе всего нагружения трещина открыта. Различие между ЯР и Як может быть обусловлено только эффектом «закрытия трещины», когда в процессе снятия нагрузки поверхности трещины приходят в контакт друг с другом, что не позволяет коэффициенту интенсивности напряжений достигнуть значения, соответствующего минимальному значению нагрузки.

В более сложном случае, когда трещина расположена в той части конструкции, где имеются остаточные сварочные напряжения, коэффициент

асимметрии цикла по К1 может отличаться от коэффициента асимметрии по Р. Допустим, что имеют место растягивающие сварочные напряжения и к конструкции приложена внешняя сжимающая нагрузка. Тогда в ненагружен-ном состоянии в вершине трещины имеем ^1тах > 0, после приложения нагрузки в вершине трещины получаем , причем в зависимости от величины сжимающей нагрузки может оказаться К[тт =0 и Китп >0. Очевидно, что в такой ситуации учет асимметрии коэффициента интенсивности при расчете роста усталостной трещины имеет принципиальное значение.

Исследование влияния асимметрии цикла на первой и второй стадии распространения трещины проведено в ряде экспериментальных работ [6]. Влияние величины коэффициента асимметрии цикла на этом участке диаграммы усталостного разрушения, в основном, связано с эффектом закрытия трещины. Для того чтобы учесть этот эффект, вводится [7] эффективный размах =^1тах~^1ор (^10р - коэффициент интенсивности напряжений,

соответствующий моменту открытия трещины, - ниже К1ор значение КШп опуститься не может). Введение позволяет свести скорости, получен-

ные при разных коэффициентах асимметрии Яр, в одну полосу рассеяния.

Скорость роста усталостной трещины зависит от напряженно-деформированного состояния около вершины трещины, вызванного приложенной нагрузкой, и определяется размахом коэффициента интенсивности напряжений и коэффициентом асимметрии цикла

^ = ДАК, где АК1 = К1тт - КХшп, Л =.

Для описания роста усталостной трещины в области В предложен ряд эмпирических законов, связывающих скорость роста усталостной трещины и размах коэффициента интенсивности напряжений. Наибольшее распространение получило соотношение П.Париса

аы к 1)

в котором постоянные Сит определяются экспериментально.

Ограничением при использовании соотношения П.Париса, является тот факт, что оно не учитывает влияние величины коэффициента асимметрии цикла Rp или RK на скорость распространения усталостной трещины. Экспериментальные исследования влияния величины коэффициента асимметрии цикла на втором участке усталостной кривой показывают, что при положительных значениях Rp < 0,5 это влияние мало заметно, однако при Rp> 0,5 и при отрицательных Rp оно становится существенным. Так, в Британском стандарте BS 7910 [8] данные для параметров, входящих в соотношение П.Париса, приводятся отдельно для Rp < 0,5 и Rp> 0,5, причем согласно Британскому стандарту при переходе от первого диапазона ко второму скорость роста усталостной трещины возрастает вдвое. В стандарте DNV RP-С203 [9] рассматривается отдельно рост усталостной трещины при растягивающих (0<^<1)и при знакопеременных (Rp < 0) нагрузках.

Для изучения поведения усталостной трещины при отрицательных Rp размах коэффициента интенсивности напряжений АКХ может быть представлен в виде суммы двух слагаемых

A^=AKItens+AKIcorap,

первое из которых соответствует составляющей растяжения, а второе - составляющей сжатия. Экспериментальные данные показывают, что в определенном диапазоне сжимающих нагрузок можно пренебречь «отрицательной» составляющей цикла (т.е. сжимающей нагрузкой) и в качестве эффективного размаха коэффициента интенсивности напряжений AATIeff принять «положительную» составляющую цикла (т.е. растягивающую нагрузку).

В [10] и [11] вводится RK = Klmin/KlmAx и рассматриваются как положительные так и отрицательные значения К{, последние получаются при приложении сжимающей нагрузки. Используются следующие закономерности для скорости роста усталостной трещины:

- при 0 < Як <1

25,72С^'тах "^оГ^07;

(2,88-Л^)'

-при -2<ЯК] <0 и КШах -КШп <1,12а[у/па

с1а! сШ = С (К 1тах )3'°7; -при ^ <-2 и К1тах-К1тЫ <1,12агл&

I 3

-при ^<Ои К1пах-КШа

с1а / ¿¿V = С(К1тах - Кхт;п )3,07, где С = 9,42-10~14, при условии, что йа\сШ измерена в мм, а - в

МПа • мм0'5; ст{ = ст°'2*Свр измерено в МПа.

Из этих данных следует:

- если оба коэффициента интенсивности напряжений положительны, 0 < Як < 1, то имеет место влияние коэффициента асимметрии Як , с его увеличением скорость роста трещины увеличивается;

- при наличии сжимающих нагрузок, то есть при АГ1т1п <0, вводится ограничение на величину этих нагрузок, а именно, если К1тах - К1тЫ <1,\2ъ1^тю , то при -2 < Як < 0, наличием сжимающей составляющей можно пренебречь и считать АКх = К1тах, а при Як < -2 сжимающая составляющая должна учитываться;

- если АГ,тах -К1тЬ >1,12аг лЛш , то сжимающая составляющая учитывается при всех значениях Як < 0.

Необходимость учета сжимающей составляющей при значительных сжимающих напряжениях объясняется образованием значительной области

пластических деформаций сжатия к окрестности вершины трещины, которые приводят к возникновению остаточных напряжений растяжения и ускоряют рост трещины.

В работах ЦНИИ «КМ Прометей» при работе стальных конструкций на воздухе использованы соотношения, приведенные выше для случая

^1тах ^1Д2ст£ \[тш . В случае влияния воды рассматривается только

диапазон 0 < < 1.

л1

В литературе нет экспериментальных данных о росте усталостной трещины при условии Яр > 1, когда нагружение полностью происходит в области сжатия, ни на одном из участков диаграммы усталостного разрушения.

Из изложенного следует, что закономерности роста усталостной трещины получены для отдельных материалов и диапазонов изменения исходных параметров и нуждаются в дальнейшем исследовании.

При внешней растягивающей или знакопеременной нагрузке наименее исследован экспериментально третий участок усталостной диаграммы, соответствующий количеству циклов до разрушения 103 -И04, представляющий большой практический интерес. Трудности экспериментального исследования этого участка связаны с большой скоростью распространения усталостной трещины и необходимостью работать при максимальных значениях коэффициента интенсивности напряжений, близких к критическому значению.

§ 2 Испытательное оборудование, средства измерений, образцы и метод испытаний

Испытания проводились на универсальной сервогидравлической испытательной машине фирмы «Инстрон» (Англия) модель 1255 и модель 8804 с максимальным усилием ± 500 кН в режиме управления по нагрузке. Испытания проводились по схеме трехточечного изгиба (рисунок 2), использовался призматический образец с краевой трещиной (рисунок 3).

1 - нагружающий ролик: 2 - образец: 3 - ножи накладные; 4 — датчик раскрытия (экстензометр); 5 - опорный ролик: 6 - корпус опоры: 7 - шайба: 8 - болт: 9 - винт: 10 - пружина

Рисунок 2 - Приспособление для испытаний призматических образцов с краевой трещиной по схеме трехточечного изгиба

I

Ы2

Ь - длина образца; Ъ - высота образца; ц - полная толщина образца; - толщина образца по дну боковых канавок; ап - глубина предварительной усталостной трещины.

Рисунок 3 - Призматический образец с краевой трещиной

Коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины вычисляется по формуле [12]

= ayfiïa ■ F (а / b), (1)

где

F {а /Ь) = 1,090 -1,735(а /Ь) + 8,200(д / б)2 -14,180(а / Ь)3 +14,570(а / Z>)4, при условии, что S/b = 4 (5 - расстояние между опорами);

погрешность 0,2 % для а/b < 0,6. Относительная глубина трещины вычисляется по формуле [13] а/Ь = 0,999748-3,9504 и + 2,9821 и -3,21408и3 +51,51564 и4 -113,031 и5, (2)

где и=-, 1 ; , Е' = Е/(1-^2).

, Av 4 b q

1 + АЕ •qef----

V ef АР S

Поскольку датчик раскрытия устанавливается на установочных ножах, формула (2) требует корректировки, учитывающей толщину ножей. В этом случае она принимает вид

а/Ь = С1[0] + С1[1] и, + С1[2] и) + С1[3]и? + С1[4] и4: + С1[5] и\, (3)

1

где -

. Av. 4b

1 + JE - а,-----

V APS

коэффициенты С1[0..5] вычисляются в программе CRACK_CYCLE.

Для измерения раскрытия берегов трещины в призматическом образце использовался датчик раскрытия типа COD фирмы «Инстрон» с базой измерения 10 мм и рабочим ходом 4 мм, установленный на специальных ножах на расстоянии 1,5 мм от поверхности образца. Относительная погрешность измерения нагрузки, и деформации составляла не более 1% от измеряемого значения параметра. Для передачи электрического сигнала в компьютер использовался цифровой вольтметр в составе персонального компьютера «Лар-

га» и аналого-цифровой преобразователь фирмы National Instruments (США) (относительная погрешность измерения не более 0,3 %).

Испытания на кинетику роста усталостной трещины проводились по разработанной автором методике ИМЯН 32-372-10 МИ (свидетельство об аттестации методики № 372/3 - 10) «Металлические материалы. Испытания при циклическом нагружении. Методика оценки циклической трещиностойко-сти» [14].

Целью испытаний по указанной методике является построение зависимости между скоростью роста усталостной трещины и размахом коэффициента интенсивности напряжений «da/dN- АК~Г» в заданном диапазоне изменения скорости роста усталостной трещины при заданной скорости изменения коэффициента интенсивности Кх. Минимальная скорость роста усталостной трещины составляет 5 • 10-4 мм/цикл; скорость изменения коэффициента интенсивности напряжений Кл = 1500МПа • мм0'5 / с.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нигматуллин, Владимир Игоревич, 2014 год

Список использованных источников

1 Vosikovsky О. The effect of stress ratio on fatigue crack growth rates in steel. // Engineering Fracture Mechanics, Vol. 11, No. 3, 1979, pp. 595-602.

2 Miller M.S., Gallagher J.P. An analysis of several fatigue crack growth rate description. // Fatigue Growth Measurement and Data Analysis, ASTM STP 738,1981, pp. 205-251.

3 Kang K. J., Song J. H., Earmme Y. Y. Fatigue crack growth and closure through a tensile residual stress field under compressive applied loading // Fatique Fract. Engng Mater. Struct., 1989, Vol. 12, № 5, pp. 363-376.

4 Ritchie R.O. Near-threshold fatigue crack propagation in steel // Int. Met. Revs. - 1979. No. 5-6, pp. 205-230.

5 Ohta A., Kosuge M. and Sasaki E. (1978) Fatigue crack closure over the range of stress ratios from - 1 to 0,8 down to stress intensity threshold level in HT80 steel and SUS304 stainless steel. // Int. J Fract. 14, 251 - 264.

6 Механика разрушения и прочность материалов, т. 4, Киев, Наукова думка, 1990

7 Elber W. The significance of fatigue crack closure. // ASTM STP 486, pp. 230-242

8 BS 7910:2005. Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures

9 Recommended practice DNV-RP-C203. Fatigue design of offshore steel structures, april 2010

10 Rules for construction of power boilers, ASME boiler and pressure vessel code, an international code, 2000, Sec 11, article A-4000, Fatique crack growth rate.

11 Research 2008:01 A combine deterministic and probabilistic procedure for safety assessment of components with cracks - Handbook DNV Technology Sweden.

12 Tada H., Paris P., Irwin R. The stress analysis of cracks handbook. Pennsylvania, 1973, p. 2.16, 2.17.

13 ASTM E 1820-01. Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness

14 Металлические материалы. Испытания при циклическом нагруже-нии. Методика оценки циклической трещиностойкости. ИМЯН 32-372-10 МИ, ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова», 2010 г.

15 Программная документация к программному обеспечению ИМЯН. 0302.01-01 «CRACK_CYCLE». Руководство оператора. ИМЯН. 0302.01-01 34 01, ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова», 2010 г.

16 Программная документация к программному обеспечению ИМЯН. 0302.01-01 «CRACKCYCLE». Описание программы. ИМЯН. 0302.01-01 13 01. ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова», 2010 г.

17 Программная документация к программному обеспечению ИМЯН. 0302.01-01 «CRACK CYCLE». Программа и методика испытаний. ИМЯН. 0302.01-01 51 01. ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова», 2010 г.

18 Ярема С.Я. О корреляции параметров уравнения Париса и характеристиках циклической трещиностойкости материалов // «Проблемы прочности» 1981, №9, с 20-28.

19 Forman R.G., Kearney V.E., Engle R.M. Numerical analysis of crack propagation in cyclic loaded structures // Trans. ASME. Journal of Basic Engineering, 1967, Vol. 89, No. 3, pp.459-464.

20 Booth G.S., Maddox S.J. Correlation of Fatigue Crack Growth Data Obtained at Different Stress Ratios // Mechanics of Fatigue Crack Closure, ASTM STP 982,1988, pp. 516-527.

21 Servetti G., Zhang X. Predicting Fatigue Crack Growth Rate in a Welded Butt Joint: The Role of Effective R Ratio in Accounting for Residual Stress Effect // Engineering Fracture Mechanics, Vol. 76, 2009, pp. 1589-1602.

22 Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений в 2-х

томах, том 1, под ред. Муроками Ю. - М.: Мир, 1990. - 448 с.

116

23 Rice J.R. Some remarks on elastic crack-tip stress fields. // Intern. J. Solids and Struct., Vol. 8, No. 6,1972, pp. 751-758.

24 Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. Издательство иностранной литературы, М., 1952, 648 с.

25 Рыбакина О.Г. Метод определения остаточных напряжений // Ново-жиловский сборник, СПб.: Судостроение, 1992, с. 190 - 199.

26 Bueckner H.F. Weight functions for the notcher bar. // ZAMM, B. 51, 1971. H. 2. S. 97 - 109.

27 Карзов Г.П., Леонов В.П., Тимофеев Б.Е. Сварные сосуды высокого давления. - Л.: Машиностроение, 1982. — 288 с.

28 Талыпов Г.Б. Пластичность и прочность стали при сложном нагру-жении//ЛГУ, 1968, 136 с.

29 Новожилов В.В. О сложном нагружении и перспективах феноменологического подхода к исследованию микронапряжений // Прикладная математика и механика, 1964, т. XXVIII, вып. 3, с. 394-400.

30 Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - М.: Наука, 1968. - 720

с.

31 ГОСТ 1497-01 Методы испытаний на растяжение.

32 Металлические материалы. Испытания при статическом нагружении. Оценка влияния предварительного пластического деформирования на упруго - пластические свойства материала. Методика. ИМЯН 32-407-14 МИ, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2014 г.

33 Либов Ю.А., Рябов В.М., Фейгин Б.Л. Исследование влияния технологических факторов на устойчивость трубопроводов на примере газопровода «Голубой поток» // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2003. Вып. 16(300). С. 18-29.

34 Виноградов О.П., Ильин A.B., Филин В.Ю. Научно - методические вопросы аттестационных испытаний на трещиностойкость структурно - неоднородного металла сварных соединений // Вопросы материаловедения, 2004, вып. 1 (37), стр. 75 - 89.

35 Ильин A.B., Филин В.Ю. Разработка программного комплекса, обеспечивающего предварительные расчеты и обработку результатов испытаний на трещиностойкость при статическом нагружении с учетом требований отечественной и зарубежной нормативной документации // Вопросы материаловедения, 2002, вып. 4(32).

36 Леонов В.П., Антонова С.Д., Сафронова H.H., Нестерова Е.В. Влияние предварительной пластической деформации на характеристики стали PCE40Z // Вопросы материаловедения, 2003, № 2(34).

37 Изотов И.Н., Ягн Ю.И. Изучение пластического деформирования металла с деформационной анизотропией, созданной в процессе предварительного нагружения // Доклады АН СССР. - 1961. - Т. 139. - № 3 - С. 21 - 35.

38 Ягн Ю.И., Шимарев O.A. Некоторые результаты исследования границ упругого состояния пластически растянутых образцов никеля // Доклад

АН СССР. - 1958. - Т. 119. - № 1. - С. 46 - 48.