М.Н. Чура

МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (Россия)

Стадии процесса развития малых трещин в углеродистой стали 20

Многие элементы судовых конструкций в процессе эксплуатации подвергаются динамическим нагрузкам, которые могут быть обусловлены влиянием различного судового оборудования, воздействием волновых нагрузок и другими факторами.

Весь процесс усталостного разрушения углеродистых сталей можно разделить на несколько стадий:

,

где N_Р – общая долговечность элемента конструкции;

N₁ – число циклов, соответствующее зарождению микротрещин и их росту в пределах одного зерна микроструктуры;

N₂ – число циклов, соответствующее развитию трещины от размеров, соответствующих диаметру зерна, до появления макротрещины;

N₃ – развитие макротрещины, вплоть до разрушения.

Существует множество критериев механики для оценки прочностных характеристик материала. Большинство из этих критериев базируются на линейной механике разрушения, которая не может быть применена к описанию кинетики роста малых трещин [1 – 3].

Изучение начальных стадий усталостного разрушения является актуальной задачей, т.к. во многом определяет общую долговечность и остаточный ресурс конструктивных элементов [4].

В результате эксперимента были получены кривые скорости роста трещин (рис. 1) при различных уровнях действующих напряжений (σ_max). Испытания проводились на образцах, выполненных из углеродистой стали 20. Анализируя полученные кривые, можно отметить, что на начальной стадии развития трещины наблюдаются скачки скорости ее роста. Это можно связать с влиянием барьеров микроструктуры, что ранее отмечалось некоторыми исследователями [1,4 и др.].

Рис. 1 Кривые скорости трещины при σ_max = 240 МПа и σ_max = 300 МПа

Таким образом, можно считать продолжительностью второй стадии разрушения количество циклов, прошедших с момента зарождения до того момента, когда микроструктурные барьеры уже не оказывают заметного влияния на рост трещины. Этот момент соответствует длине трещины l₂ = 5…20 d_m^ср (d_m^ср – средний диаметр зерна), в зависимости от действующего напряжения. На рис. 2 показан график зависимостей N₁/N_Р (кривая 1, светлые точки) и (N₁+N₂)/N_Р (кривая 2, черные точки) от напряжения σ_max, который иллюстрирует продолжительность (по количеству циклов) протекания разных стадий процесса разрушения.

Рис. 2 Продолжительность стадий разрушения при различных напряжениях

Так в диапазоне напряжений 230≤ σ_max ≤300 МПа продолжительность протекания стадий от общей долговечности образца составила:

N₁ = 0,14…0,25 N_Р; N₂ = 0,26…0,49 N_Р; N₃ = 0,37…0,49 N_Р.

Необходимо так же отметить, что если продолжительность второй стадии с увеличением напряжения увеличивалась, то продолжительность первой и третьей стадий – уменьшалась.

Выводы

1. Микроструктурные барьеры влияют как на зарождение микротрещин, так и на их рост уже в статусе малых трещин.

2. Первые две стадии разрушения (N₁+N₂) составляют до 63% общей долговечности образца.

3. Момент разрушения, когда микроструктурные барьеры перестают оказывать заметное влияние на процесс роста трещины можно считать границей перехода от малой трещины в макротрещину стадию развития, для которой применим аппарат линейной механики разрушения.

Литература

1. B. Kuünkler, O. Duüber, P. Koöster, U. Krupp, C.-P. Fritzen,H.-J. Christ, Modelling of short crack propagation – Transition from stage I to stage II, Engineering Fracture Mechanics 75 (2008) 715–725.

2. P. Hansson, S. Melin, C. Persson, Computationally efficient modelling of short fatigue crack growth using dislocation formulations, Engineering Fracture Mechanics xxx (2008) xxx–xxx.

3. R. Lillbacka, E. Johnson, M. Ekh, A model for short crack propagation in polycrystalline materials, Engineering Fracture Mechanics 73 (2006) 223–232.

4. N. Narasaiah, K.K. Ray, Initiation and growth of micro-cracks under cyclic loading, Mater. Sci. Eng. A 474 (2008) 48–59.