книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

трещинами, которые будут также нести информацию о поведении образцов с большими длинами начальных усталостных трещин. Такого рода данные необходимы для развития представлений о закономерностях закритического поведения тел с трещинами при равновесном росте дефектов, оценки живучести и прогнозирования процессов разрушения реальных элементов конструкций с трещинами и трещиноподобными дефектами.

5.2. Экспериментальное изучение влияния жесткости нагружающей системы на деформирование металлических образцов с концентраторами

иисходными усталостными трещинами

Сцелью изучения влияния жесткости нагружающей системы на процессы роста трещин реализована серия механических испытаний на одноосное растяжение плоских образцов с центральным симметричным надрезом и различной длиной рабочей части 50, 100, 150 и 250 мм. Образцы изготовлены из алюминиевого сплава Д16Т в состоянии поставки. Изменение длины образца приводит к изменению жесткости нагружающей системы по отношению к области распространения трещины в образце.

В результате испытаний получены диаграммы кинематического растяжения образцов, приведенные на рис. 5.5, где ν – величина раскрытия трещины по показаниям экстензометра. Как уже отмечено в подразд. 5.1, характер роста трещины можно разделить на два типа: равновесный (сплошные линии), динамический (штриховые линии), которые могут чередоваться.

Наиболее полная реализация закритической стадии диаграмм нагружения, соответствующих снижению нагрузки при увеличении раскрытия трещины, получена на образцах с меньшей длиной рабочей части (рис. 5.5, а). В этом случае реализована максимальная жесткость нагружающей системы по отношению к зоне роста трещины. На рис. 5.6 приведены временные за-

91

висимости величин раскрытия трещины (до момента первого перехода к стадии динамического роста трещины).

Рис. 5.5. Зависомость величины раскрытия трещины от нагрузки при растяжении образца с длиной рабочей части 50 мм (а); 100 мм (б);

150 мм (в); 250 мм (г) и начальной усталостной трещиной

Рис. 5.6. Зависимости величины раскрытия от времени образца с длиной рабочей части 50 мм (1); 100 мм (2); 150 мм (3); 250 мм (4)

92

На основании полученных опытных данных можно сделать вывод, что при увеличении длины образца и, следовательно, снижении жесткости нагружающей системы по отношению к области роста трещины переход от равновесного роста трещины к лавинообразному происходит при меньшей степени реализации закритической стадии. Проведение таких исследований для различного рода конструкционных материалов позволяет получить данные, необходимые для прогнозирования процессов разрушения и оценки живучести реальных элементов конструкций.

Использование навесного экстензометра для регистрации величины раскрытия трещины на плоском образце в форме пластины требует нанесения дополнительных отверстий в области концентратора напряжений для крепления ножек экстензометра (см. рис. 5.3), что может привести к возникновению дополнительной неоднородности полей деформаций.

С целью минимизации влияния навесного экстензометра на опытные данные для дальнейших исследований использована бесконтактная трехмерная цифровая оптическая система Vic-3D, математический аппарат которой основан на методе корреляции цифровых изображений. Видеосистема позволит не только определить величину раскрытия трещины, но и провести анализ эволюции неоднородных полей деформаций в процессе развития трещины. Регистрация реализована комплектом камер высокого разрешения (Prosilica, 16 Мп) с частотой съемки кадров 3 Гц. В работе использован дополнительный модуль программного обеспечения видеосистемы «виртуальный экстензометр», что обеспечило определение деформаций на поверхности исследуемых материалов бесконтактным методом.

Дополнительно в работе проведен анализ полей температур с помощью инфракрасной камеры Flir SC7700M с КРТ-детектором (кадмий-ртуть-теллур) с разрешением 640×512 пикселей, скоростью регистрации 115 Гц (при полном разрешении), временем формирования кадра от 3 мкс до 20 мс, шагом 1 мкс и чувстви-

93

тельностью < 0,025 °С. Синхронизация видеосистемы и тепловизора с контроллером испытательной системы в процессе испытания осуществлялась посредством блока АЦП (NI USB-6251) (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Проведение испытаний образца с трещиной с использованием бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы Vic-3D и тепловизора Flir SC7700

Поверхность плоских образцов предварительно подготавливалась путем нанесения черной матовой краски со стороны тепловизора (рис. 5.8, а) для минимизации отражающей способности поверхности материала, а также путем напыления мелкодисперсного контрастного покрытия (совокупность чер- но-белых точек) со стороны видеосистемы для анализа полей перемещений и деформаций методом корреляции цифровых изображений (рис. 5.8, б).

Проведена серия механических испытаний на одноосное растяжение плоских образцов с различной длиной рабочей части l0: 50, 100, 150 и 250 мм, конфигурация центрального

выреза для всех групп образцов идентична. В качестве примера, в табл. 5.2 приведены длины предварительно выращенных усталостных трещин для образцов каждой длины. Длина ис-

94

ходной трещины lc (рис. 5.9) измерялась с помощью стерео-

микроскопа Carl Zeiss SteREO Discoverjу.V12.

а

б

Рис. 5.8. Подготовка поверхностей плоских образцов для регистрации неоднородных полей температур (а)

и деформаций (б)

Таблица 5.2

Длина предварительно выращенных трещин на пластинах с различной длиной рабочей части

На рис. 5.10 приведены характерные диаграммы нагружения, построенные по данным встроенного датчика испытательной системы для образцов, приведенных в табл. 5.2. По аналогии с данными, полученными на предыдущем этапе, отмечена зависимость степени реализации закритической стадии деформирования материала от длины рабочей части образца. Образец с l0 50 мм (кривая 4, рис. 5.10) обладает более высокой жесткостью нагружающей

95

системы по отношению к области распространения трещины по сравнению с образцами большей длины.

Рис. 5.9. Фотографии изломов разрушенных пластин

стрещиноподобным вырезом и предварительно выращенными усталостными трещинами: 1 – зона усталостной трещины;

2 – зона развития трещины при растяжении

На основе данных регистрации полей перемещений и использования дополнительного модуля программного обеспечения видеосистемы «виртуальный экстензометр» построена зависимость величины раскрытия трещины (v, мм) от нагрузки (рис. 5.11, а) и от времени (рис. 5.11, б).

Использование видеосистемы позволяет осуществлять бесконтактные измерения величины раскрытия трещины в различных зонах образца и на разной базе, а также исследовать закономерности развития неупругих деформаций в области концентраторов в процессе распространения трещин. В качестве примера на рис. 5.12 приведена эволюция неоднородных полей продольных деформаций, зарегистрированных на поверхности плоского образца 2-50-Н при одноосном растяжении.

96

деление продольных деформаций, зарегистрированное на поверхности образцов различной длины, при максимальных значениях нагрузки, проиллюстрировано на рис. 5.14. Уровень нагрузки Pmax для образца 2-100-Н равен 16,6 кН, для образца 1-150-Н – 17,2 кН и для образца 1-250-Н – 15,3 кН.

Рис. 5.14. Поля ε yy на поверхности образцов с различной длиной рабочей части при Pmax: 2-100-Н (а); 1-150-Н (б); 1-250-Н (в)

На основе использования метода инфракрасной термографии проведен анализ эволюции полей температур при одноосном растяжении пластин с центральным надрезом и исходной усталостной трещиной. Проведена оценка изменения максимальной температуры от времени для образцов с различной длиной рабочей части.

99