Исследование эволюции источников тепла в процессе упруго-пластического деформирования металлов и сплавов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ИЗЮМОВА Анастасия Юрьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА В ПРОЦЕССЕ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

01.02.04 - механика деформируемого твёрдого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

005557597

Пермь-2014

005557597

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, г. Пермь.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

ПЛЕХОВ Олег Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, заместитель директора по

научной работе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук, профессор МАТВИЕНКО Юрий Григорьевич

доктор технических наук, заведующий лабораторией тепловых методов контроля ФГАОУ «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», засл. деятель науки РФ, профессор ВАВИЛОВ Владимир Платонович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук, г. Санкт-Петербург

Защита состоится «29» января 2015 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 004.012.01 при Институте механики сплошных сред УрО РАН по адресу:

614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 1, тел/факс (342) 2378487, сайт: www.icmm.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института механики сплошных сред УрО РАН.

Автореферат разослан « декабря 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор технических наук ' / Березин И.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день необходимость разработки материалов и конструкций с заранее заданными свойствами, продиктованная современными запросами экономики, требует развития научного подхода, включающего в себя совокупность теоретических моделей, численных алгоритмов и экспериментальных методов верификации текущего состояния материала в ходе эксплуатации, оценки его эксплуатационного ресурса. В большинстве случаев разрушение конструкции обусловлено упруго-пластическим деформированием материала, являющимся причиной эволюции его структуры и изменения физико-механических свойств.

Исследованием взаимосвязи изменения структуры и физико-механических свойств материалов в процессе упруго-пластического деформирования активно занимались многие научные школы под руководством Н.Ф. Морозова, С.Н. Журкова, В.А. Лихачёва, В.И. Бетехтина (Санкт-Петербург); Ю.Н. Работнова, В.В. Болотина, H.A. Махутова, Ю.Г. Матвиенко, B.C. Ивановой (Москва); В.Е. Панина (Томск); О.Б. Наймарка (Пермь); С.Д. Волкова (Екатеринбург); Б.Е. Патона, Г.В. Карпенко, В.В. Панасюка (Киев) и др.

Согласно общепринятой точке зрения структура материала представляет собой нелинейный ансамбль взаимодействующих дефектов различных структурных уровней. В данной работе эволюция структуры материала, вызванная его упруго-пластическим деформированием, рассматривается с макроскопической (интегральной) точки зрения на основе анализа закономерности процессов накопления и диссипации энергии в деформируемом материале. При таком подходе потеря детализации описания эволюции структуры материала компенсируется универсальностью предложенных методов и возможностью использования их результатов как в рамках классических постановок задач механики сплошных сред, так и в инженерных приложениях.

В качестве основного экспериментального метода исследования в данной работе выбран метод инфракрасной термографии (ИКТ). Актуальность работы связана с тем, что при наличии очевидных преимуществ данного метода, позволяющих проводить бесконтактное измерение температуры различных объектов с высокой точностью, он сравнительно слабо, особенно в Российской Федерации, используется при исследовании физико-механических процессов, сопровождающих деформирование конструкционных материалов. В целом, ИК камеры используются при построении приборов ночного видения и для технической диагностики энергетических и строительных объектов. Основной областью применения данного метода в России является неразрушающий контроль. Данное направление активно развивается в лаборатории тепловых методов контроля ФГАОУ «Национального исследовательского Томского политехнического

университета» под руководством профессора В.П. Вавилова. За рубежом метод ИКТ активно используется при решении задач механики деформируемого твёрдого тела: в США (Р. ЯоэаМз, АЛ. ЯозаЫз), в Италии (А. Шэкапо, С. Мсг^ЬеШ), в Польше СШГегик), во Франции (А. СЬгузосЬооз, М. Ьиоп§) и в некоторых других странах.

В диссертационной работе предложено решение ряда экспериментальных проблем, сопровождающих применение метода ИКТ в задачах механики разрушения, предложены новые алгоритмы обработки данных и оригинальные методы калибровки результатов ИК измерений. В результате создана методика, позволяющая проводить анализ баланса энергии в процессе деформирования и разрушения металлических материалов.

Исследования, проведённые в данной работе, относятся к разделу 23 «Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред» Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013 - 2020 годы.

Представляемая работа выполнена в рамках государственного задания Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук «Структурно-скейлинговые переходы в конденсированных многомасштабных средах, физико-механические свойства перспективных материалов и биологических мезо-(нано)-систем» (номер гос. регистрации 01.2013.50344) и «Экспериментальное и теоретическое исследование структурно-скейлинговых переходов в конденсированных средах с мезодефектами, физикомеханических свойств материалов при переходе в объемное субмикро (нано) кристаллическое состояние» (номер гос. регистрации 01.2010.63554).

Часть результатов была получена при выполнении проектов РФФИ №11-01-00153-а, №11-01-96005-р_урал_а, №12-01-33072-а, № 14-01-00122-а, №14-01-96005-р_урал_а.

Целью диссертационной работы является разработка методики исследования термодинамических процессов, связанных с упруго-пластическим деформированием материала, определение баланса энергии в материале на основе данных ИКТ, исследование особенностей диссипации и накопления энергии при локализации пластической деформации, зарождении и распространении трещин в условиях циклического и квазистатического нагружения.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. разработка экспериментальной установки для исследования процессов деформирования и распространения трещин, включающей в себя системы бесконтактного измерения температуры (на основе ИК камеры) и контактного

измерения потока тепла (на основе элементов Пельтье), систему регистрации текущей длины трещины оптическим методом и методом падения электрического потенциала, методики калибровки этих систем и обработки получаемых данных;

2. создание и апробация алгоритмов обработки данных ИКТ, в том числе алгоритмов компенсации движения, фильтрации данных, расчета мощности источников тепла на основе уравнения теплопроводности, оценка параметра, определяющего теплообмен образца с окружающей средой и захватами машины;

3. проведение серии экспериментов на чистом металле (армко-железе), конструкционной стали (8Х18Н10) и титановом сплаве (ОТ-4) с целью исследования баланса энергии в процессе деформирования и разрушения при квазистатическом растяжении, диссипации энергии в вершине трещины при циклическом нагружении.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. разработан и реализован комплекс алгоритмов обработки экспериментальных данных, позволяющий проводить расчёт мощности источников тепла в процессе деформирования металлов с учётом шумов экспериментального оборудования, циклического движения образца и нелокальности тепловыделения и теплообмена образца с окружающей средой;

2. предложена и апробирована новая методика измерения величины J-интеграла на основе данных ИКТ;

3. на основе экспериментальных данных получено новое кинетическое соотношение, описывающее распространение усталостных трещин в металлах по данным скорости диссипации энергии.

Практическая значимость. Разработана экспериментальная установка, включающая в себя системы бесконтактного измерения температуры (на основе ИК камеры) и контактного измерения потока тепла (на основе элементов Пельтье), систему регистрации текущей длины трещины методом падения электрического потенциала.

В работе проведён цикл экспериментов, направленных на исследование особенностей накопления и диссипации энергии в металлах и сплавах в процессе пластического деформирования и разрушения. В результате получены новые данные о термодинамике процесса распространения усталостных трещин.

Объект и метод исследования. Объектом исследования являются процессы накопления и диссипации энергии в конструкционных материалах при квазистатическом и циклическом деформировании. Основное внимание уделяется процессу диссипации энергии и его взаимосвязи с изменением механического поведения, локализацией деформации и кинетикой распространения усталостных трещин.

При проведении исследований использовались экспериментальные методы ИКТ и новый метод контактного измерения мощности источников тепла на основе элементов Пельтье, включающий в себя оригинальный контактный датчик, систему охлаждения и термостабилизации, систему измерения, сбора и хранения информации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Совокупность алгоритмов для анализа данных ИКТ, позволяющая проводить расчёт мощности локализованных источников тепла, и методика верификации значения скорости диссипации, основанная на применении калиброванного контактного датчика потока тепла.

2. Результаты экспериментального исследования процессов диссипации энергии при деформировании металлов и сплавов в условиях квазистатического растяжения гладких образцов и циклического нагружения образцов с трещиной.

3. Полученные на основе метода ИКТ экспериментальные результаты, подтверждающие возможность использования критерия по скорости и величине накопленной энергии для определения момента разрушения материала.

4. Метод численной оценки величины J-интеграла по данным метода ИКТ.

5. Кинетическое соотношение для скорости усталостной трещины как функции скорости диссипации энергии и текущей длины трещины.

Обоснованность и достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечивается соблюдением методологии проведения эксперимента, использованием поверенного метрологического оборудования, устойчивой воспроизводимостью результатов и согласием установленных закономерностей с результатами других авторов. Достоверность расчётов и теоретических результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечиваются корректностью математических постановок задач, проведением тестовых расчётов, сопоставлением частных численных результатов с аналитическими решениями, результатами других авторов, оригинальными и опубликованными ранее экспериментальными данными.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на 7 зарубежных конференциях: 12th International conferences on Quantitative InfraRed Thermography, Bordeaux, France, 7-11 July 2014; 13th International Conference on Fracture (ICF13), Beijing (China), June 16-21, 2013; 7th International Conference on Materials Structure and Micromechanics of Fracture (MSMF7), Brno (Czech Republic), July 1-3, 2013; International Conference on Full-Field Measurement Techniques and their Application in Experimental Solid Mechanics (PhotoMechanics 2013), Montpellier, Sup Agro (France), May 27-29, 2013; 12th workshop Advanced Infrared Technology and Applications 2013(AITA 2013), 10-13 September, Turin, Italy; 20th European Conference on Fracture (ECF20), Trondheim, Norway, 28 june-04july 2014; 11-th International fatigue congress (Fatigue 2014),

Melbourne, Australia, 2-7 March, 2014; и на 5 конференциях, проходивших на территории Российской Федерации: XVIII Зимняя школа по механике сплошных сред, Пермь, 18-22 февраля 2013; XX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные памяти профессора В. А. Лихачева, Санкт-Петербург, 10 - 12 апреля 2012; The 13th International Conference New Trends in Fatigue and Fracture (NT2F13), Moscow (Russia), May 13-16, 2013; International workshop "Failure of heterogeneous materials under intensive loading: experimental and multi-scale modeling", Perm (Russia), February 10-14, 2014; XXI Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 15-17 апреля 2014.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, из них 3 статьи в журналах, входящих в международную систему цитирования Web of Science, 8 статей в журналах, входящих в международную систему цитирования Scopus, 11 статей в журналах, входящих в перечень включённых Высшей аттестационной комиссией России в список изданий, рекомендуемых для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата и доктора наук.

Личный вклад автора заключается в анализе текущего состояния исследований по теме работы, создании алгоритмов, формулировке основных результатов и выводов диссертации. Автор непосредственно разрабатывала и реализовывала методы, алгоритмы и программы обработки экспериментальных данных. Автор лично проводила экспериментальные исследования, представленные в работе, и обрабатывала полученные экспериментальные результаты.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 121 страницу, включая 42 рисунка и 10 таблиц. Список литературы содержит 110 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, проведён краткий обзор современного состояния исследований в области механики деформируемого твёрдого тела, использующих метод ИКТ, сформулированы основные проблемы метода ИКТ, затрудняющие его использование при исследованиях, определены цели и задачи работы, перечислены полученные результаты, раскрыта их новизна, научная и практическая значимость, представлены положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В ней приведены основные достижения, полученные ранее при исследовании процессов накопления и диссипации энергии при деформировании и разрушении металлов. Рассмотрены основные экспериментальные методы исследования термодинамики пластического течения,

Окончание табл. I

Обозначение Статистические показатели

Доля докторов наук, осуществляющих научные исследования (от штатной численности докторов наук), %

Х\9 Доля кандидатов наук, осуществляющих научные исследования (от штатной численности кандидатов наук), %

Х\ 10 Процент в ППС преподавателей, работающих на штатной основе

Воспроизводство научных и научно-педагогических кадров

Количество аспирантов на 100 студентов приведенного контингента, чел.

Хгг Эффективность аспирантуры (отношение числа лиц выпущенных с защитой диссертации в текущем году, к числу лиц, принятых три года назад для очной аспирантуры и четыре года назад для заочной аспирантуры), %

Хц Процент аспирантов, защитивших диссертации не позднее чем через год после окончания аспирантуры (от числа поступивших)

Эффективность докторантуры (отношение числа лиц, выпущенных с защитой диссертации в текущем году, к числу лиц, принятых три года назад), %

Хм Число защит диссертаций на 100 чел. штатного 1111С в отчетом году. ед.

Удельный вес повысивших квалификацию преподавателей от численности штатного ППС. %

хи Среднегодовой контингент обучающихся по образовательным программам профессиональной подготовки и (или) повышения квалификации, чел.

Среднегодовое число защит диссертаций на 100 чел. НПК за 5 лет, ед.

Результативность научно-исследовательской и учебно-методической деятельности

Объем НИР на единицу НПК в отчетном году, тыс. руб.

Хм Среднегодовой объем НИР за 5 лет на единицу НПК, тыс. руб.

*3.3 Доля зарубежных грантов и контрактов в общем объеме финансирования НИР университета, %

Количество полученных патентов на полезные модели на единицу Н11К, ед.

Хз 5 Количество полученных патентов на изобретения на единицу НПК, ед.

Х].6 Количество полученных свидетельств на программы ЭВМ и баз данных на единицу НПК, ед.

Хм Число поддерживаемых в силе патентов на единицу Н11К, ед.

Количество проданных (зарегистрированных) лицензий на единицу Н11К, ед.

X] 9 Количество авторов объектов интеллектуальной собственности на единицу НПК, чел.

■*310 Удельный вес НПК, участвовавших в научных и научно-практических конференциях в общей численности НПК, %

-*311 Количество опубликованных научных статей за рубежом на 100 чел. штатного НПК,ед.

-*312 Количество опубликованных научных статей в рецензируемых российских журналах на 100 чел. штатного НПК, ед.

■*313 Даля студентов, занимающихся НИР, от общей численности студентов очной формы обучения (ОФО), %

Количество медалей Минобрнауки РФ и РАМН на 1 000 студентов ОФО, ед.

■*315 Участие студентов в международных и российских грантах на 1 000 студентов ОФО, ед.

^3.16 Количество монографий на 100 основных штатных педагогических работников с учеными степенями и (или) учеными званиями, изданных за последние пять лет, ед.

■*3.17 Количество учебников и учебных пособий (с грифом) на 100 основных штатных педагогических работников с учеными степенями и званиями, изданных за последние 5 лет, ед.

Интегральная оценка кадрового потенциала вуза

X

Кадровый состав

Показатели кадрового потенциала

Воспроизводство научных и паучпо-педагоппескнх кадров

Результативность научно-исследовательской и учебно-методической деятельности

Метод модифи главной ком цированной поненты Метод главных компонент Метод многомерной средней Экспертный метод (синтез объективной и субъективной информации)

■ •

Интегральный индикатор у, Индекс соответствия критериям аккредитации 3 Сводный показатель Р Комплексный показатель I

Критериальная проверка

многомерных статистических гипотез

Выявление однородных периодов сводного показателя на основе кластерного анализа

Логлинейный анализ зависимости экспертных оценок кадрового потенциала вуза от ученой степени, возраста и пола преподавателей

Рисунок 1 - Методика построения интегральной оценки кадрового потенциала вуза с использованием многомерных статистических методов

вычислен с помощью центральной конечно-разностной аппроксимации по трСхточечному шаблону.

В заключительном разделе 2.3 рассмотрены методы калибровки экспериментальных данных ИК измерений, позволяющие гарантировать точность расчета мощности источников тепла в материале Для независимого измерения скорости диссипации энергии и калибровки данных ИК измерений был разработан контактный датчик потока тепла, работающий на основе элементов Псльтьс. Перед проведением

эксперимента контактный датчик калибровался двумя способами: с использованием источника тепла заданной мощности, повторяющим геометрию образна, н на основе аналитического решения термоупругой задачи. Приборная погрешность контактного датчика составила около 1%.

Характерные результаты

совместного использования обеих методик измерения мощности источников тепла в процессе циклического деформирования образца с трешиной (сталь 8Х18Н10) с амплитудой приложенного напряжения 103 МПа при частоте 10 Гц представлены на рисунке 3 (с указанием отклонения от исходных показаний контактного датчика после подавления шума). В процессе механического теста контактный датчик, покрывающий область образна с растущей трешиной. записи ваз непрерывный сигнал потока тепла, а ИК камера с другой стороны образца периодически фиксировала поле температуры у вершины трещины, длительность каждого ИК фильма составляла 100 с (на рисунке 3 знаком отмечены средние значения мощности источника тепла, определенные из анализа данных ИКТ). Расчет мощности источников тепла по данным ИКТ оказался чувствительным к выбору параметра теплообмена образца с окружающей средой. Экспериментальное определение этого параметра на основе данных по остыванию образцов после гочечного нагрева позволило получить мощности источников тепла по данным ИКТ. близкие по значению к показаниям контактного датчика (коэффициент корреляции данных мощности источника тепла по показаниям контактного датчика и рассчитанных на основе ПК данных составил 0.9). По результатам анализа полученных данных можно утверждать.

о_=103 МПа

МГЦ)

3 г -1---к-г

j 22 1 — - пошит коттлдао мним

/ х - среди** змачеми* мощности

I по длимым ИКТ

20 500 1000 1500 »>00 2500 3000 Время, с

Рис Л. Графики зависимости мощности источника тепла от времени но данным контактного датчика и ИКТ.

что мощность источника тепла в вершине усталостной трещины адекватно измеряется двумя независимыми методами.

В третьей главе представлены результаты расчета изменения запасаемой в материале энергии в процессе деформирования и значения .1-интеграла по данным ИКТ. На основе анализа баланса энергии у вершины усталостной трещины предложена оценка кинетики её роста.

Раздел 3.1 данной главы посвящен экспериментальному исследованию эволюции доли запасаемой в материале энергии при усталостных и квазистатических испытаниях на основе данных ИКТ. Исследование изменения запасаемой в материале энергии при квазистатическом растяжении проводилось на гладких образцах из титанового сплава ОТ-4 и армко-железа, при циклическом нагружении на образах из титанового сплава ОТ-4, ослабленных центральным отверстием. Предполагалось, что часть работы пластической деформации переходит в тепловую энергию, а оставшаяся часть запасается в материале в качестве энергии дефектов кристаллической решетки, сопровождающей пластическую деформацию. В связи с тем, что в исходном недеформированном состоянии материал уже обладает некоторой внутренней энергией, связанной с присутствием в нем дефектов, в данной работе определяется изменение запасаемой энергии от этого начального значения. Таким образом, изменение запасаемой в материале энергии при квазистатическом растяжении рассчитывалось как интеграл с переменным верхним пределом от разности между значениями мощности пластической деформации и скорости диссипации энергии:

',2 .»-2

Е^О) = |Р(Г)Уск'Л з(х,у.Г)с1хс1у

<Ь\ (2)

где х1,х2,у1,у2- координаты зоны пластической деформации, Р(0 - сила нагружения, V - скорость деформирования, й(х,уЛ) - поле мощности источников тепла.

При циклическом нагружении работа пластической деформации определялась на основе решения Хатчинсона-Райса-Розенгрена для распределения напряжений у вершины трещины. Изменение запасаемой в материале энергии рассчитывалось аналогично соотношению (2):

Е-ЬУ.» = \^(0<уХ У),п)л1 _ (3)

о" + 1 1„г(х,у) ,,

где п - коэффициент упрочнения материала (и=4), /„ - функция коэффициента упрочнения, г к в - полярные координаты (х=гсовв, у=г$тв), ае ~ табулированная функция, /(У - .Г-интеграл, являющийся функцией приложенной циклической нагрузки и длины усталостной трещины (^(1)=а^(1)лЬ/(2Е)).

Па рисунке 4 представлены характерные результаты расчетов изменения запасаемой в материале энергии, работы пластической деформации и лиссипированиой энергии для образцов из титанового сплава ОТ-4 при квазистатичоском растяжении (А) и при циклическом нагруженин (В).

■7

5*

о

i'

Рис 4. Зависимость изменения )апасаемой в ма1срналс энергии, работы пластической деформации и днссипиропанной >нсрг ии oí времени для образцов из гитанового см.шва ОТ-4 при квазистагическом расмяжении (А) и мри циклическом нагруженин (Б).

О 20 40 60 8« 100 Время, cm

Врем, с««

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что при приближении материала к моменту разрушения изменение запасаемой в материале энергии достигает некоторого критического значения, а скорость запасания энергии стремится к нулю. Полученные данные находятся в согласии с результатами работ В В. Федорова. B.C. Ивановой и др.. которые показали наличие критерия разрушетя. основанного на значении изменения запасаемой в материале энергии при его деформировании. Сходство в повелении термодинамических характеристик процесса разрушения при квазистагическом и циклическом нагруженни говорит о том. что изменение запасаемой в материале в процессе деформирования энергии может явля-ься универсальным параметром, устанавливающим стадию процесса деформирования, определяющим степень накопления дефектов, и может использоваться для предсказания момента разрушения.

В разделе 3.2 представлена методика расчета J-интсграла по данным мощности источника тепла у вершины трещины. Основанная на определении плошали пол кривой нагружсиия методика оценки J-интсграла для разной геометрии образцов при различных условиях нагружения подробно описана в стандартах ESIS Р2-92 (I992) и ASTM EI820 (2005). В диссертации показано, что значение J-интсграла может бьпь оценено с точки зрения термодинамики процесса разрушения на основе данных о диссипации энергии в

процессе роста трещины. Разработка методики применения данных MKT для определения величины J-интсграла базируется на предположении, что большая часть работы пластической деформации при циклическом нагруженнн переколот в тепло. Работу пластической деформации можно выразить следующим образом:

(4,

I п + l 1.Г

В соотношении (4) поле напряжений а определяется решением Хатчинсона-Райса-Розенгрена для распределения поля напряжений у вершины трещины в условиях пластической деформации. Используя выражение (4) и допущение о том, что большая часть работы пластической деформации переходит в тепло. J-ннтеграл можно выразить как:

Mx.i) = SM(х~ ^./-р п) \х,г -4 (5)

где \'цр и дг„р координаты вершины трешины; х расстояние от вершины трещины в пределах размера зоны пластической деформации; 5М интегральное значение теплоты, полученное как интеграл с переменным верхним пределом от мощности источников тепла Q(x.y.t).

Для проверки точности расчета значения J-интсграла по данным ИКТ оно было рассчитано инженерным методом, предложенным Райсом. по площади петли гистерезиса:

h(w-a)

тле S площадь петли гистерезиса, соответствующая половине цикла нагружения, fl константа, отражающая долю работы пластической деформации, переходящей в тепло (/f=90%). м> ширина образна, а длина трещины, й толщина образна.

Следуя предположению о том. что большая часть работы пластической деформации переходит в тепло, уравнение (6) можно переписать в виде:

(7>

h(w-a)

где QM осредненное по поверхности поле источников тепла.

Для расчета значения J-интеграла были проведены эксперименты по исследованию температурного пазя образна из титанового сплава ОТ-4, ослабленного трещиной, при циклическом нагруженни На рисунке S представлены характерные результаты расчета значения J-интсграла тремя способами. Анализ результатов позволяет сделать вывод, что значение J-интсграла. определенного энергетическим путем, достаточно хороню

7000 г

0 05

Рис. 5. Изменение значения J-мнторала за половину цикла па гружен и я (Ji(t) ■ J-ннтеграл, рассчитанный на основе HRR-решения (S).Jj-J-интсграл, рассчитанный стан.'1артным инженерным методом (6),Jt(0 - J-интегры, полученный с помощью шсргстичсскою подхода

коррелирует со значением J-интсграла, рассчитанного из аналитического решения Хатчинсома-Райса-Розснгрсна, а максимальные значения этих функций не превышают верхней опенки значения J-интсграла. получаемой на основе инженерного метода.

Раздел 3.3 настоящей главы посвящен разработке метола оценки кинетики усталостной трешииы по данным анализа баланса энергии в области сС вершины. Для построения кинетической зависимости было проведено экспериментальное исследование температурного поля поверхности образцов из стали 8X18HI0 при циклическом

деформировании с амплитудами приложенного напряжения 79 МПа, 91 МПа, 103 МПа и частотой нагружения 10 Гц.

Длина трещины в процессе испытаний определялась с помощью метода падения электрического потенниала. На основе термодинамических соотношений и баланса энергии у вершины трещины было показано, что в первом приближении при стационарном режиме распространения скорость усталостной трешины может быть описана соотношением, аналогичным уравнению Л. Хсла, т.е. пропорциональна произведению скорости диссипации энергии и текущей длины трешины:

JN

(8)

Рисунок 6 иллюстрирует экспериментальные данные, полученные с помощью метода MKT и контактного датчика потока тепла.

о МПа Питчи*)

S1 МП* (датчик) о п МПа (датчик) «„,103 МП» (ИКТ) »1 МПа (ИКТ) « - 79 МПа (ИКТ)

Рис. 6. Экспериментально полученная зависимость (X) при различных амплитудах приложенного напряжения в условиях стационарною режима распространения усталостной грешины но данным контактного датчика потока тепла и по результатам ИКТ

Экспериментальные точки, полученные двумя различными методиками, демонстрируют хорошее соответствие, что свидетельствует об адекватности данных, рассчитываемых по полю температуры на основе уравнения теплопроводности (1). Методика, основанная на применении контактного датчика потока тепла, позволяет оценить зависимость мощности потока тепла от времени, однако не предоставляет информации о пространственном расположении источников (в отличие от метода ИКТ), что является важным при определении позиции трещины, ее форме и размерах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В работе проведено экспериментальное исследование процессов накопления и диссипации энергии в металлах при пластическом деформировании и разрушении. В рамках работы создан комплекс алгоритмов обработки данных ИКТ, позволяющий проводить анализ мощности локальных источников диссипации энергии в процессе механических экспериментов. Для верификации полученных данных предложен и реализован метод измерения источников тепла с помощью контактного датчика на основе элементов Пельтье, а также разработаны методики его калибровки. Проведён цикл экспериментов по анализу динамики локальных источников тепла, возникающих в процессе упруго-пластического деформирования исследуемых материалов.

К основным результатам работы можно отнести следующее.

1. Экспериментальная установка для исследования процессов деформирования и распространения трещин, включающая в себя системы бесконтактного измерения температуры (на основе ИК камеры) и контактного измерения потока тепла (на основе контактного датчика потока тепла), систему регистрации текущей длины трещины.

2. Комплекс программ для обработки данных ИКТ, позволяющий исследовать динамику локальных источников тепла при квазистатических и циклических испытаниях металлов и сплавов.

3. Экспериментальные данные исследования процесса диссипации энергии в металлах и сплавах при локализации деформации в условиях квазистатического растяжения и в вершине усталостной трещины при циклическом нагружении. Показана возможность использования критерия по скорости и величине накопленной энергии для определения момента разрушения материала.

4. Метод оценки величины Д-интеграла по данным ИКТ.

5. Кинетическое соотношение, полученное по экспериментальным данным контактного датчика на основе элемента Пельтье и ИКТ для скорости роста усталостной трещины как функции скорости диссипации энергии и текущей длины тещины.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Изюмова А.Ю., Плехов О.А., Вшивков А.Н., Прохоров А.А., Уваров С.В. Исследование скорости диссипации энергии в вершине усталостной трещины // ПЖТФ. - 2014. - т. 40. - вып. 18. - С. 72-77 (A.Yu. Izyumova, О.А. Plekhov, A.N. Vshivkov, A.A. Prokhorov, S.V. Uvarov. Studying the Rate of Heat Dissipation at the Vertex of a Fatigue Crack // Technical Physics Letters. - 2014. - Vol. 40. - No. 9. - P. 830-832).

2. Iziumova A., Plekhov O. Calculation of the energy J-integral in plastic zone ahead of a crack tip by infrared scanning // Fatigue Fract Engng Mater Struct. - 2014. - Vol. 37. - P. 1330-1337.

3. Fedorova (Iziumova) A., Bannikova M., Terekhina A., Plekhov O. Heat dissipation energy under fatigue based on infrared data processing // Qualitative Infrared Thermograthy Journal. - 2014. - Vol. 11.- Issue 1. - P. 2-9.

4. Kostina A., Fedorova (Iziumova) A., Plekhov O. Energy dissipation and storage in iron under plastic deformation (experimental study and numerical simulation) // Fracture and Structural integrity. - 2014. - Vol. 27. - P. 28-37.

5. Plekhov O., Fedorova (Iziumova) A., Kostina A., Panteleev I. Theoretical and experimental study of strain localization and energy dissipation at fatigue crack tip // Procedia Materials Science. - 2014. - Vol. 3. - P. 1020 - 1025.

6. Fedorova (Iziumova) A.Yu., Bannikov M.V., Plekhov O.A. A study of the stored energy in titanium under deformation and failure using infrared data // Fracture and structural integrity.-2013.-Vol. 24.-P. 81-88.

7. Fedorova (Iziumova) A., Bannikov M., Plekhov O. Study of stored energy evolution at fatigue crack tip based on infrared data // Proceeding of the 13th International Conference on Fracture (ICF13), 16-21 June, Beijing, China. - 2013. - S18-039.

8. Bannikov M., Fedorova (Iziumova) A., Terekhina A., Plekhov O., Naimark O. Experimental study of heat dissipation process into fatigue crack tip in titanium alloys // Proceeding of the 13th International Conference on Fracture (ICF13), 16-21 June, Beijing, China.-2013.-SI 1-005.

9. Банников M.B., Федорова (Изюмова) А.Ю., Терехина А.И., Плехов О.А. Экспериментальное исследование фрактальных закономерностей роста усталостной трещины и диссипации энергии в ее вершине // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2013. -№2.-С. 21-36.

10.Fedorova (Iziumova) A.Yu., Bannikov M.V., Plekhova E.V., Plekhov O.A. Infrared thermography study of the fatigue crack propagation // Fracture and Structural Integrity. -2012.-Vol. 21.-P. 46-53.

11.PIekhov О., Bannikov M., Terekhina A., Fedorova (Iziumova) A. Infrared Study of Heat Dissipation under Fatigue Crack Propagation // Proceedings of the 4th International Conference on CRACK PATHS (CP 2012), 19 - 21 September, Gaeta, Italy. - 2012. - P. 693-700.

12. Федорова (Изюмова) А.Ю., Банников M.B., Плехов О.А. Применение метода инфракрасной термографии для определения параметров линейной механики разрушения // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2012. - № 2. - С. 214-225.

Подписано в печать 11.12.2014.Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 420/2014.

Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве «Книжный формат» Адрес: 614990, г. Пермь, ул. Пушкина, 80.