Исследование процессов зарождения трещин при многоцикловой усталости трубной стали 09Г2С с использованием метода спекл-интерферометрии

УДК 620.178.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАРОЖДЕНИЯ ТРЕЩИН ПРИ МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ ТРУБНОЙ СТАЛИ 09Г2С С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

© И.С. Каманцев, А.П. Владимиров, Е.М. Бородин

Ключевые слова: трещинообразование; усталостная прочность; методы неразрушающего контроля.

Показана возможность использования метода лазерной спекл-интерферометрии при изучении эволюции рельефа поверхности циклически нагружаемого образца для определения зоны зарождения усталостной трещины и динамики ее роста.

Известно, что около 80 % разрушений техники происходит вследствие усталости материалов [1]. Процесс усталости металлических материалов можно разделить на два периода: зарождения и распространения усталостных трещин [2]. Поскольку время, затраченное на стадию зарождения, доминирует при большом числе циклов нагружения [3], то помимо изучения самой кинетики распространения трещины немаловажно выделять стадию зарождения усталостной трещины. Многочисленные работы по усталости материалов при большом количестве циклов доказали, что зарождение трещины может происходить при напряжениях ниже предела выносливости [4, 5]. Понимание механизма зарождения усталостной трещины и, как следствие, своевременное обнаружение и предотвращение усталостного разрушения в ходе циклического нагружения на ранних стадиях развития макротрещины может иметь большое значение при оценке надежности и долговечности как существующих, так и вновь создаваемых современных материалов.

В настоящей работе изучена возможность исследования процесса трещинообразования с применением метода динамической спекл-интерферометрии, успешно использованного ранее для изучения процессов пластической деформации и разрушения металлов при их растяжении в условиях квазистатического нагружения [6]. С физической точки зрения предложенный метод имеет большое сходство с такими интерференционными методами как голографическая интерферометрия, электронная спекл-интерферометрия, рентгенография и нейтронография. Их объединяет использование одного и того же соотношения, связывающего изменение расстояния между центрами рассеяния и периодом интерференции в точке наблюдения. Особенностью использованного в настоящей работе метода является регистрация суммарного эффекта интерференции всевозможных пар волн, отраженных от центров рассеяния, расположенных в области разрешения линзы. Неопределенность, вызванная статистическим характером регистрируемых данных, компенсируется возможностью исследования в реальном времени микроскопических процессов, вызывающих случайные изменения разностей фаз пар волн. В настоящей работе эти изменения

были вызваны смещениями центров рассеяния, возникающими при многоцикловой усталости.

Усталостные испытания проводились на образцах, вырезанных из элемента спиральношовной трубы магистрального газопровода, изготовленной из стали 09Г2С (а0>2 = 529 МПа, ав = 616 МПа), при уровне напряжений аа < а0>2 на базе испытаний 5-106 циклов. В соответствии с рекомендациями ГОСТ 25.506-85 был выбран образец 4 типа. Геометрические размеры образца составляли 10x10x55 мм. Концентратор выполнялся в виде надреза специальной фрезой с углом 45° и радиусом скругления в вершине 0,25 мм. Вырезка образца и ориентировка направления роста трещины «Ь-Б» в соответствии с ГОСТ 25.506-85. Выращивание трещины осуществлялось на высокочастотной резонансной испытательной машине (ВРИ) МКЕОТКОК фирмы ЯимиЪ. Испытания проводились по схеме трехточечного изгиба с постоянным усилием .Рщх = 445 Н, при частоте нагружения 100 Гц, с коэффициентом асимметрии Я = 0,1. Схема оптической установки приведена на рис. 1. В ходе эксперимента образец 1 подсвечивался пучком 2 от лазера 3, изображение спеклов фиксировалось видеокамерой 4. Типичная картина распределения спеклов приведена на рис. 2. Обработка полученного с камеры изображения выполнялась на ЭВМ 5.

При обработке изображения на ЭВМ рассчитывались следующие параметры.

Рис. 1. Блок-схема эксперимента

.......... ' . П

о-у •• • V' .я •, I*

• . . . .

Рис. 2. Типичная картина спеклов в плоскости изображения образца типа Шарпи

1881

120 100 80 I 60 40 20 0

1 1

/

b

. - . .

1.0 - 0,8 -1-Щ

0,4

0,2

100000 200000 300000 N 500000

а)

б)

в)

Рис. 3. Совмещенные зависимости видеосигнала I (сплошные линии) и коэффициента корреляции Г|2 (штриховые линии) от числа циклов нагружения N зон сварного шва (а), термического влияния (б) и основного металла (в) стали 09Г2С

Экспериментальные значения коэффициентов корреляции г|2 видеосигналов определяли по двум числовым массивам, которые соответствовали выбранному участку в двух кадрах, введенных в память компьютера в моменты времени t1 и t1+t. Значения г|2 находили по формуле:

п 1 т-1

-Ь £ X А А к - В)

у/2/

^1/2 :

1 n— 1 гп— 1 1 n— 1 гп— 1

h Z Z A - A) -1Z Zів, - в)

где і, ] - номера элементов массива по горизонтали и вертикали, соответственно; А - числовое значение

элемента массива с номерами і и ] при \ ; В у - числовое значение этого элемента массива в момент времени ї2 ; А - среднее значение чисел массива при іх ; В -среднее значение чисел массива в момент времени ї2 ;

I - среднее по времени усреднения интенсивность излучения в некоторой точке плоскости наблюдения.

На рис. 3 приведены совмещенные зависимости I = I (Ы) и ^2 =л2( N), найденные в разных зонах плоскости изображения образца. Рис. 3(а-в) относятся к образцам, вырезанным из зоны сварного шва, зоны термического влияния и основного металла соответственно. Цифрами 1, 2 и 3 обозначены графики, соответствующие вершине выреза, участку вдали от выреза и участку на расстоянии 0,8 мм от вершины выреза. За-

висимости I = I (Ы) определяли в реальном времени, а значения г|2 - по кадрам, зарегистрированным в паузах между измерениями, а также в реальном времени. Отметим, что определение величин I и г|2 начиналось не с самого начала опыта, а после стабилизации резонансной частоты образца. Из рис. 3(б, в) следует, что для образцов, взятых из зоны термического влияния и из основного металла, величина г|2 начинает монотонно уменьшаться с самого начала измерений. В то же время для материала зоны шва картина иная (рис. 3а). Значения г|2 , найденные на изображении вершины выреза и вдали от выреза, вначале изменяются мало и почти совпадают. На заключительной стадии опыта начинается резкое уменьшение величины г|2 , определенной вблизи изображения вершины выреза, а вдали от изображения вершины выреза величина г|2 по-прежнему изменяется мало. Из рис. 3(а-в) следует также, что начало существенных изменений величин г|2 совпадает с началом

значительных изменений величины I , сравнимых со средней величиной I в картине спеклов. Измерениями в реальном времени показано, что перед появлением макротрещины величина г|2 резко уменьшается, после появления трещины значение Г|2 не изменяется.

Таким образом, показано, что величина г|2 , характеризующая изменение спекл-поля в изображении вершины выреза, непрерывно уменьшается вплоть до появления макротрещины.

ЛИТЕРАТУРА

Гаф Г. Дж. Усталость металлов. Москва; Ленинград: Гл. ред. лит. по черн. металлургии, 1935. 304 с.

Терентьев В.Ф. Стадийность процесса усталостного разрушения металлических материалов // Металлы. 1996. № 6. С. 14-20.

Wang Q.Y., Bathias C., Kawagoishi N., Chen Q. Effect of Inclusion on Subsuface Crack Initiation and Gigasurface Fatigue Strength, Int. J. Fatigue. 2002. V. 24. P. 1269-1274.

Stanzl-Tschegg S. undMayer H. (Hrsg.), Proc. Int. Conf. on Fatigue in the very High Cycle Range, Inst. of Meteorol. and Physics; Univ. of Agricultural Sciences. Vienna, 2001.

Blom A.F. (Hrsg.) Proc. of Fatigue 2002. EMAS Ltd., UK. 2002. V. l. № 5. P. 2927-2995.

Владимиров А.П. Динамическая спекл-интерферометрия деформируемых объектов. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 241 с.

БЛАГОДАРНОСТИ:

1. Часть исследований проведены с использованием оборудования ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН.

2. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке проекта молодых ученых УрО РАН (№ 13-1-НП-680) и совместного проекта УрО РАН и СО РАН (№ 12-С-1-1030).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kamantsev I.S., Vladimirov A.P., Borodin E.M. INVESTIGATION OF CRACK FORMATION PROCESSES UNDER MULTICYCLE FATIGUE IN TUBE STEEL 09G2S USING SPECKLE-INTERFEROMETRY METHOD

The possibility of using the method of laser speckle interfero-metry in the study of the evolution of the surface relief of cyclically loaded sample to determine the area of fatigue crack nucleation and dynamics of its growth is shown.

Key words: cracking; fatigue strength; methods of nondestructive testing.

= 0 , = 0

П

2

2

0 =0

0 =0

1882