Прогнозування втомної довговічності з урахуванням впливу витримки у часі та багатовісного навантаження на характер злиття тріщин

Abstract

Розглядаються два аспекти злиття тріщин. Перший аспект стосується режиму, який відомий як взаємодія втоми і повзучості. Вказаний режим представляє собою змінний у часі процес втомного руйнування. Другий аспект відноситься до злиття тріщин в умовах багатовісного напружено-деформованого стану різного виду. Стаття складається з двох частин. У першій частині розглядається модель втомного росту тріщини, в основу якої покладено результати експериментального дослідження нержавіючої сталі AISI 316 при високих значеннях температури та амплітуди деформації і знакозмінному згині з витримкою у часі. Особливістю дослідження є витримка зразків під дією як стискуючих, так і розтягуючих напружень на різних поверхнях на протязі 60 хв, що приводило до виникнення трансзернових коротких та міжзернових довгих тріщин. Останні є найбільш небезпечними, оскільки сприяють злиттю численних коротких тріщин, внаслідок чого виникає магістральна тріщина (стадія ІІ), яка стає причиною руйнування. У другій частині набуває розвитку модель, що описує злиття тріщин та дає можливість прогнозувати втомну довговічність середньовуглецевої сталі, котра знаходить широке застосування при виготовленні елементів машинобудівних конструкцій у випадку багатовісного пропорційного навантаження зі змінною амплітудою. Показано, що моделі, за допомогою яких оцінюється довговічність в умовах великих циклічних деформацій, з метою забезпечення найбільшої адекватності з експериментом повинні враховувати характер злиття тріщин.

Рассматриваются два аспекта слияния трещин. Первый аспект относится к режиму, который известен как взаимодействие усталости и ползучести. Указанный режим представляет собой сменный во времени процесс усталостного разрушения. Второй аспект относится к слиянию трещин в условиях многоосного напряженно-деформированного состояния различного вида. Статья состоит из двух частей. В первой части рассматривается модель усталостного роста трещины, в основу которой положены результаты экспериментального исследования нержавеющей стали AISI 316 при высоких значениях температуры и амплитуды деформации и знакопеременном изгибе с выдержкой во времени. Особенность исследования - выдержка образцов под действием как сжимающих, так и растягивающих напряжений на разных поверхностях в течение 60 мин, что приводило к возникновению трансзеренных коротких и межзеренных длинных трещин. Последние - наиболее опасны, они способствуют слиянию многочисленных коротких трещин, в результате чего возникает магистральная трещина (стадия ІІ), которая становится причиной разрушения. Во второй части статьи раз вивается модель, которая описывает слияние трещин и дает возможность прогнозировать усталостную долговечность среднеуглеродистой стали, широко применяющейся при изготовлении элементов машиностроительных конструкций в случае многоосного пропорционального нагружения со сменной амплитудой. Показано, что модели, применяющиеся для оценки долговечности в условиях значительных циклических деформаций, с целью обеспечения наибольшей адекватности с экспериментом должны учитывать характер слияния трещин.

Two aspects of crack coalescence behavior are reported. The first concerns a regime frequently referred to in the literature as creep-fatigue interactions but which in this paper is essentially a time-dependent fatigue-failure process. The second relates to crack coalescence under a wide range of different multiaxial stress-strain states. In Part I a fatigue crack growth model is derived based on experimental observations during hightemperature, high-strain, reversed-bend, hold-time tests on AISI 316 stainless steel. Essential features of these tests are the compressive and the tensile 60 minute hold periods on different surfaces which induce, respectively, transgranular-short and intergranular- long cracks. The latter, more damaging cracks, involve the coalescence of numerous short cracks to form a dominant Stage II crack that leads to failure. In Part II the crack-coalescence model is then advanced to predict the fatigue lifetimes for multiaxial, variable amplitude, proportional loading of the medium carbon steel commonly used to manufacture engineering components. It is shown that under high strain fatigue conditions the models used for the calculations of lifetime must necessarily involve crack coalescence behavior if unsafe lifetime predictions are to be avoided.