Экспериментальное исследование закономерностей накопления усталостных повреждений в стали 08Х18Н10Т при малоцикловом блочном нагружении с использованием акустического метода

УДК 620.179

Экспериментальное исследование закономерностей накопления усталостных повреждений в стали 08Х18Н10Т при малоцикловом блочном нагружении с использованием акустического метода

А.А. Хлыбов, А.Л. Углов

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, 603950, Россия

В работе показано, что в аустенитной стали 08Х18Н10Т при малоцикловом усталостном нагружении на стадии до появления макротрещины протекают необратимые изменения: наблюдается изменение структуры, физико-механических характеристик. Одной из структурно-чувствительных характеристик является скорость распространения упругих волн. Для оценки используемого в механике поврежденной среды параметра поврежденности ю предложен специальный акустический параметр. Акустический параметр определяется через отношение времен распространения сдвиговых и продольных волн. Это позволяет исключить необходимость измерения толщины конструкции в зоне контроля, которую на реальных технических объектах часто не удается определить в силу одностороннего доступа. На образцах из аустенитной стали показана возможность оценки накопленных повреждений при сложном режиме нагружения.

Ключевые слова: поврежденность, усталость, скорость упругих волн, задержка импульсов упругих волн, аустенитная сталь, блочное нагружение

Experimental study of fatigue damage accumulation in steel 08Cr18Ni10Ti under low-cycle block loading using acoustic method

A.A. Khlybov and A.L. Uglov R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University, Nizhny Novgorod, 603950, Russia

The paper demonstrates that austenitic steel 08Cr18Ni10Ti subjected to low-cycle fatigue loading undergoes irreversible changes on the stage prior to macrocracking: the steel structure, physical and mechanical characteristics change. One of the structure-sensitive characteristics is the elastic wave velocity. It is proposed to estimate the damage parameter ю used in damage mechanics using a special acoustic parameter. The acoustic parameter is determined by the ratio of the times of shear and longitudinal wave propagation. This eliminates the necessity to measure the structure thickness in the monitored region which is often impossible to define in real engineering structures due to one-sided access. Austenitic steel specimens are used to demonstrate the possibility of accumulated damage estimation under complex loading.

Keywords: damage, fatigue, elastic wave velocity, elastic wave pulse delay, austenitic steel, block loading

1. Введение

Образованию усталостной макротрещины предшествует период зарождения и накопления различного рода микродефектов и повреждений. В работах [1-6] предложена структурно-энергетическая интерпретация процессов кинетического деформирования и разрушения твердых тел. Такой подход позволяет выявить глубокую взаимосвязь пластического деформирования металла и накопления повреждений с энергетическими характеристиками процесса.

В соответствии с выводами работ [7-9], процесс накопления усталостных повреждений с начала нагруже-ния до образования макроскопической трещины состоит из двух стадий и определяется количеством циклов

Первая стадия: зарождение и рост микропор, не взаимодействующих друг с другом, что приводит к изменению физико-механических характеристик материала. Продолжительность стадии характеризуется количеством циклов N..

© Хлыбов A.A., Углов А.Л., 2015

Вторая стадия: развитие повреждеииости. Образовавшиеся микропоры (также как и вновь зародившиеся) взаимодействуют друг с другом, образуя микроскопические трещины. Продолжительность стадии характеризуется количеством циклов _ .

Мерой поврежденности элементарного объема материала является некоторая функция ю, которая трактуется как отношение накопленной поврежденности к его критической величине, соответствующей появлению макротрещины [10, 11]. В рассматриваемой модели накопления повреждений в материале учитывается напряженное состояние, уровень накопленной поврежденности, энергия, затраченная на образование дефектов.

Поврежденность как мера трещиноватости оказывает влияние на макрохарактеристики материалов. Результаты исследований с использованием современных физических методов (электронной микроскопии, рентгенографии, методов физической акустики и др.) неопровержимо свидетельствуют о начале структурной перестройки материала (микропластические деформации, эволюция дислокационной структуры и связанных с ней полей напряжений и др.) на очень ранних стадиях циклического нагружения — практически с самого его начала. При этом энергетические параметры структуры, важнейшая роль которым отводится и в моделях поврежденной среды [1, 12], также начинают изменяться на очень ранних стадиях нагружения.

В теоретических работах [13, 14] показано влияние поврежденности материала, формируемой системой микродефектов, на параметры упругих волн. Экспериментальные работы [15] также показывают, что скорость распространения упругих волн является параметром, чувствительным к необратимым процессам, протекающим при циклическом нагружении.

Нам представляется перспективным совмещение упомянутых выше развитых расчетных методов механики поврежденной среды с возможностями использования современных методов физической акустики, позволяющих уточнить и ускорить получение необходимых для численных методов материальных параметров, регистрируемых в ходе достаточно сложных и трудоемких экспериментов.

2. Методика эксперимента

Экспериментальная проверка возможности определения механической поврежденности ю на основании результатов акустических измерений проводилась на цилиндрических образцах из стали 08Х18Н10Т. Химический состав исследуемой стали: 0.08 % С, 18 % Сг, 9.5 % №, 0.5 % Ть Диаметр рабочей части образца 12 мм, длина рабочей части 40 мм. На рабочих поверхностях образцов для установки пьезоэлектрических преобразователей были выполнены две плоскопараллельные лыски с размерами 40x3 мм.

Условия проведения испытаний:

- жесткий режим нагружения (растяжение-сжатие), амплитуда полных деформаций 0.470, 0.565 и 0.770 %;

- скорость деформирования рабочей части образца составляла е = 10 с ;

- испытания проводились до появления видимой трещины;

- температура при испытаниях Т = 20 °С;

В качестве акустической характеристики материала использовали нормированный безразмерный параметр d, введенный в [15] и выражающийся через относительные изменения скоростей упругих волн. Обозначим скорость распространения упругих волн через ¥1, У2, ¥3: У1 — сдвиговая с продольной поляризацией (параллельно действующей нагрузке), У2 — сдвиговая с поперечной поляризацией (перпендикулярно действующей нагрузке), ¥3 — продольная.

В соответствии с [15, 16] в качестве безразмерного акустического параметра будем использовать

d =

dj + d2

где dl = Уз/¥1, d2 = ¥3/¥2.

При решении прикладных задач диагностики измерение толщины (необходимой для определения скорости) с требуемой точностью для большинства реальных объектов не представляется возможным. Поскольку параметры d1 и d2 определялись через отношение скоростей, в значение которых входит толщина, то переопределим их через отношение задержек (времени распространения). С учетом того что в работе используется импульсный режим возбуждения и приема упругих волн, для задержек многократно отраженных импульсов параметры d1, d2 запишутся в виде:

d = _2n

А = ^,

Чп 13п

где п — номер отраженного импульса.

Таким образом, безразмерный параметр d выражается через задержки импульсов следующим образом:

d=

Л

1и

l2 и

\

Определенные таким образом акустические характеристики не зависят от трудноизмеримой толщины материала и могут быть использованы для измерения на реальном объекте.

3. Анализ результатов эксперимента

На рис. 1 представлено типичное изменение параметра d в процессе испытаний. На рис. 2 показано поведение площади петли гистерезиса, измеренной при различных циклах нагружения. Для нагружения использовали испытательную универсальную машину МИУ-200К. Погрешность силоизмерителя испытательной машины не превышает ±1 % от измеряемой нагрузки. При на-

Рис. 1. Зависимость акустического параметра d от числа цик-

лов NN

гружении машина позволяет регистрировать площадь петли гистерезиса. Видно, что изменение площади петли и акустического параметра в процессе нагружения похожи.

В работах по теории упругости микронеоднородных сред [13, 17, 18] показано влияние состояния среды с повреждениями на механические и акустические характеристики (модули упругости, скорость распространения, затухание). В соответствии с принятой теорией накопления повреждений, в процессе изменения параметра d при усталостном нагружении также выделим две стадии.

Стадия 1 — зарождение и развитие процесса накопления усталостных повреждений. Завершение этой стадии соответствует значению акустического параметра йа [8]. Эта стадия соответствует накоплению повреждений («эволюционная кривая») в трактовке механики поврежденной среды.

Стадия 2 — развитие и накопление повреждений в принятой трактовке механики среды с повреждениями. Начало второй стадии соответствует перегибу кривой d(N), поэтому величина йа может быть определена из уравнения

^ •

dN2

= 0.

Эксперименты показали, что первая стадия зависимости d(N) соответствует нарастанию величины

Рис. 2. Изменение петли гистерезиса в процессе циклического нагружения. Амплитуда полной деформации 0.470

дй/ дN. На этой стадии можно выделить начальный участок кривой интенсивного роста параметра d с приблизительно постоянной скоростью дй/дN = Vd (штриховая линия на рис. 1). Начало уменьшения величины дй/дN по сравнению со значением Vd соответствует наступлению стадии развития и накопления повреждений (вторая стадия).

Таким образом, исходя из погрешностей эксперимента, можно задать некоторое значение АVd и значение йа определить из соотношения

VA

dd ЛТЛ

Процесс накопления повреждений при усталости может быть описан [1-3] следующим выражением:

ш = 1 -

где ш — поврежденность материала (при ш = 0 материал без повреждений, при ш = 1 предельное состояние, соответствующее разрушению); а, г — параметры материала, которые, в соответствии с результатами базовых экспериментов [1], имеют следующие значения: а = 1, г = 0.3.

Для одноосного напряженного состояния величина У записывается следующим образом [1]:

Y =

w - w.

0

w*

,

—

где ш* — предельное значение удельной энергии, соответствующее появлению видимой трещины ~1 мм; ^ и ш0 — текущее и начальное значение удельной энергии. При растяжении-сжатии выражение (5) принимает

вид

1-

(w - wo)а (w* - wo) с

1/ Г+1

Из приведенной в работе [14] модели следует, что параметр d непосредственно (с точностью до феноменологических констант) связан с энергетической характеристикой, используемой авторами [1] для построения эволюционного уравнения накопления повреждений, что позволяет записать выражение для величины Учерез акустические характеристики:

7 =

где йа соответствует начальной стадии накопления усталостных повреждений (завершению стадии зарождения повреждений); df — предельное значение параметра, достигнутое к моменту появления макротрещины. Предельное значение поврежденности в момент разрушения df = 1.

Соответственно, выражение для параметра повреж-денности примет вид

ш = 1 -

1 -

(d - dj а (df - djс

1/ г+1

Рис. 3. Расчетная зависимость поврежденности ю от акустического параметра d для различных значений йа = 0 (1), 0.2 (2), 0.4 (3), 0.8 (4). Сталь 08Х18Н10Т

Выражение (9) можно использовать для оценки поврежденности материала в условиях малоцикловой усталости.

На рис. 3 приведены рассчитанные с использованием уравнения (9) кривые ю(^ для различных значений начальной поврежденности среды йа.

На рис. 4 представлены расчетные кривые накопления повреждений, полученные в процессе испытаний образцов при жестком нагружении в режиме малоцикловой усталости. Амплитуда полной деформации равна 0.470 (1), 0.565 (2), 0.770 % (3). Образцы взяты в состоянии поставки (без термической обработки). Соответственно, предполагаем, что начальная поврежденность равна 0. Такое предположение также подтверждается использованием средств дефектоскопии (ультразвук, рентген).

Экспериментально полученные зависимости измеряемого акустического параметра от числа циклов при испытании цилиндрических образцов из стали 08Х18Н10Т при малоцикловом нагружении А (М/Ы{) приведены на рис. 5.

Следует отметить, что характер поведения кривых А(Ы/Ы{) аналогичен экспериментально полученным кривым зависимости петли гистерезиса от относительного числа циклов (рис. 2), что вполне понятно, поскольку площадь петли, также как и параметр является

Рис. 5. Кривые изменения акустического параметра ^ Амплитуда полной деформации 0.470

энергетической характеристикой состояния усталостно повреждаемого материала.

Приведенные на рис. 4 и 5 зависимости ю(М/М{) и й (N N) были пересчитаны в зависимости ю^. Полученные результаты приведены на рис. 6.

Сопоставление кривых на рис. 3 (расчет) и 6 (эксперимент) показывает их соответствие. Это позволяет использовать экспериментально измеренный акустический параметр в алгоритмах расчета поврежденности материала, принятых в настоящее время в механике.

В реальных условиях эксплуатации характер внешних воздействий на материал детали или элемента конструкции обычно далек от гармонического. В этой связи чрезвычайно важным представляется вопрос возможностей сформулированных подходов в задачах контроля поврежденности при более сложном нагружении.

Ниже приведены результаты экспериментальных исследований закономерностей накопления повреждений при двух- и трехблочном жестком циклическом нагружении гладких образцов из стали 08Х18Н10Т. Поврежденность материала определялась через акустический параметр

Количество блоков нагружения и последовательность их приложения показаны на рис. 7, где кривые 13 соответствуют значениям поврежденности, рассчитанным по формуле (5). Анализ показывает, что расхождение между результатами, полученными с использованием предложенного подхода, и расчетными не превышает 20 %. Следует отметить, что характер поведения

Рис. 4. Кривые накопления повреждений. Амплитуда полной деформации 0.470 (1), 0.565 (2), 0.770 % (3). Сталь 08Х18Н10Т

Рис. 6. Экспериментальная зависимость поврежденности материала ю от акустического параметра d. Амплитуда полной деформации 0.470 (1), 0.565 (2), 0.770 % (3). Сталь 08Х18Н10Т

Рис. 7. Кривые накопления повреждений: а — двухблочное нагружение, Ае = 0.335 (блок 1), 0.770 % (блок 2); б — двухблочное нагружение, Ае = 0.770 (блок 1), 0. 335 % (блок 2); в — трехблочное нагружение, Ае = 0.770 (блок 1), 0. 335 % (блок 2), 0.565 % (блок 3). Сталь 08Х18Н10Т

экспериментальных зависимостей соответствует эволюционным кривым, рассчитанным с помощью выражения (9) [2, 6].

Это подтверждает возможность мониторинга состояния материала конструкции с использованием результатов, полученных акустическим методом.

4. Выводы

В процессе малоциклового циклического нагруже-ния образцов из аустенитной стали 08Х18Н10Т происходит изменение скорости распространения упругих волн.

Введенный безразмерный акустический параметр позволяет рассчитать значение характеристики повреж-денности, используемой в расчетных методах механики поврежденной среды. Численное значение поврежден-ности материала, определенное через акустический параметр, близкое к 1, свидетельствует о достижении предельного состояния, соответствующего появлению видимой макротрещины.

Кривые накопления повреждений при блочном на-гружении, полученные с помощью предложенного метода, соответствуют результатам расчетов, использующих методы механики поврежденной среды.

Акустический метод может быть использован для мониторинга поврежденности элементов конструкции из стали 08Х18Н10Т в процессе ее эксплуатации.

Литература

1. Коротких Ю.Г., Волков И.А., Тарасов И.С., Фомин М.Н. Обоснование применимости эволюционного уравнения накопления повреждений для оценки малоцикловой усталости металлов // Проблемы прочности и пластичности. - 2010. - Вып. 72. - С. 46-56.

2. Волков И.А., Коротких Ю.Г., Тарасов И.С. Численное моделирование накопления повреждений при сложном пластическом деформировании // Вычислительная механика сплошных сред. - 2009. -Т. 2. - № 1. - С. 5-18.

3. Mumeнкoв ФЖ., Kaйдaлoв B.Б., KopomKux Ю.Г. и дp. Mетoды обоснования ресурса ядерных энергетических установок / Под ред. ФЖ Mm-енкова. - M.: Maшинoстpoение, 2007. - 445 с.

4. Ивaнoвa B. C. Усталостное разрушение металлов. - M.: Mетaллypг-

издат, 1963. - 19S с.

5. Ko.ллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Aнaлиз. Предсказание. Предотвращение. - M.: Mиp, 19S4. - 560 с.

6. Mumeнкoв Ф.M., Звepeв Д.Л., Kaйдaлoв B.Б., Koзин A.B., Kopom-ких Ю.Г., ^тв B.A., Пaxoмoв B.A. Основные положения механики поврежденной среды и их реализация для обоснования прочности и долговечности ядерных энергетических установок // Физ. мезомех. - 2012. - T. 15. - M 1. - С. S7-93.

7. Ellyin F., Kujawski D. An energy-based fatigue failure criterion // Micro-

structure Mech. Behaviour Mater. EAMS. - 19S6. - V. 11. - P. 591601.

S. Tepeнmъeв B.Ф. Усталость металлических материалов. - M.: Наука, 2003. - 254 с.

9. Бomвuнa Л^. Кинетика разрушения конструкционных материалов. - M.: Наука, 19S9. - 230 с.

10. Бoднep C.P., Лuндxoлм y.C. Критерии приращения повреждений для зависящего от времени разрушения материалов // Tеopетичес-кие основы инженерных расчетов. - 1976. - M 2. - С. 51-53.

11. Oxarn И., Taнaкa E., Oom M. Пластическое деформирование стали типа 316 под действием несинфазных циклов по деформации // Tеopетические основы инженерных расчетов. - 19S5. -M 4. - С. 61-73.

12. Koзuнкuнa A.И., Pыбaкoвa Л.M., Бepeзuн A.B. Оценка степени микроразрушений при деформации металлических материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2006. - T. 72. -M 4. - С. 39-42.

13. Шepмepгop ТД. Tеopия упругости микронеоднородных сред. -M.: Наука, 1977. - 399 с.

14. Углoв A^. Об одной модели накопления рассеянных повреждений // Прикладная механика. - 1991. - M 1. - C. 77-S4.

15. Углoв A.Л., Epoфeeв B.И., Cмupнoв A.H. Aкyстический контроль оборудования при изготовлении и эксплуатации / Под ред. ФЖ Mrn-енкова. - M.: Наука, 2009. - 2S0 с.

16.Хлы^в A.A. Aкyстический метод оценки технического состояния ^юков из сплава ВT3-1 // Деформация и разрушение материалов. - 200S. - M S. - С. 31-36.

17. Caлгaнuк P. Л. Mеxaникa тел с большим числом трещин // MTT. -1973. - M 4. - С. 149-15S.

1S. Baвaкuн A.C., Caлгaнuк P.'.Л. Эффективные упругие характеристики тел с изолированными трещинами, полостями и жесткими не-однородностями // MTT. - 197S. - M 2. - С. 95-107.

Поступила в редакцию 10.06.2015 г., после переработки 21.09.2015 г.

Cвeдeнuя o6 aвmopax

Xлыбoв Aлексaндp Aнaтoльевич, д.т.н., проф., зав. каф. Н^У, hlybov_52@mail.ru Углов Aлексaндp Леонидович, д.т.н., зав. сект., снс Н^У, auglov@list.ru