Исследование влияния случайных перегрузок на околопороговые характеристики роста усталостной трещины в металлах

Классическая механика разрушения основана на использовании коэффициента интенсивности напряжений (КИН) как основного фактора, определяющего скорость роста усталостной трещины. Влиянием пластической зоны при этом зачастую пренебрегают в связи с её малыми размерами по сравнению с длиной трещины. В таком случае скорость роста трещины для металлов описывается простыми соотношениями типа Пэриса–Эрдогана. Использование данного уравнения и его обобщений позволяет достаточно достоверно прогнозировать скорость роста трещины при средних значениях размаха КИН. Однако с позиции прогнозирования долговечности при многоцикловой усталости особое значение приобретает достоверное определение кинетики роста усталостной трещины в околопороговой области (10-6-10-7 мм/цикл). Большое количество работ показало влияние на скорость роста трещины и других параметров нагружения помимо размаха КИН: коэффициента асимметрии цикла R, максимального значения КИН цикла, последовательности нагружения. Влияние последовательности нагружения, проявляются преимущественно именно при околопороговых скоростях роста усталостной трещины. Эффекты замедления роста трещины при перегрузках различной интенсивности, особенно важны для достоверного прогнозировании долговечности при нерегулярных (в том числе эксплуатационных) нагружениях. Исторически сложилось, что с момента открытия эффекта закрытия трещины, связанного с циклической пластичностью в окрестности кончика трещин, все явления проявляющиеся при нерегулярном нагружении принято рассматривать с точки зрения проявления различных механизмов закрытия. Множество современных исследований посвящено обобщению именно моделей закрытия, введена классификация механизмов его вызывающих: пластичность, шероховатость поверхности, поверхностное окисление и др. Данный класс моделей нашел широкое применение, в том числе в рамках специализированных коммерческих программ NASGRO, FASTRAN. Однако даже качественное описание кинетики роста трещины в околопороговом диапазоне скоростей при некоторых последовательностях нагружения с помощью моделей закрытия до сих пор вызывает затруднения. Более того, уравнения, используемые в рамках данного класса моделей при прогнозировании роста трещины, содержат большое количество коэффициентов, которые не имеют ярко выраженного физического смысла, а значит, не могут быть определены напрямую из эксперимента. Вышеприведенные обстоятельства ставят под вопрос достоверность и устоявшуюся в науке «единственность» данного подхода. В связи с чем появился альтернативный подход, основанный на зависимости порогового КИН от напряженного состояния в окрестности трещины. Данные модели базируются на основе так называемой «теории хрупкого разрушения» металлов при околопороговых скоростях роста. Основой данной теории послужили эксперименты в околопороговой области, проведенные в вакууме и показавшие важность учета влияния окружающей среды (в том числе и воздуха), а также связь напряженного состояния с пороговой величиной КИН при различных последовательностях нагружения в отсутствии закрытия. Важно понимать, что влияние тех или иных факторов на кинетику роста усталостной трещины на разных стадиях ее распространения связано с механизмами ее распространения. В связи с чем для построения достоверных и что не менее важно физически обоснованных моделей необходимо опираться на сущность процесса роста усталостной трещины. Проект направлен на решение актуальной проблемы повышения надежности и безопасности работы технических объектов с учетом характера внешнего переменного нагружения на основе развития методов прогнозирования ресурса конструктивных элементов с помощью методики оценки зарождения магистральной трещины и моделей оценки напряженного состояния вблизи кончика трещины на стадии распространения макротрещин. Для решения поставленных задач предлагаются оригинальные математические модели прогностического характера, позволяющего описать кинетику трещины в металлических материалах при регулярном и нерегулярном циклическом нагружениях, т.е. механическое поведение различных металлов (сталей и алюминиевых сплавов) при различных видах циклического нагружения. Экспериментальное подтверждение расчётных данных осуществляется на современном сервогидравлическом испытательном оборудовании на компактных образцах с краевой трещиной.