Экспериментальное исследование стадийности поврежденности при сверхмногоцикловой усталости материалов авиационного моторостроения

Авторы

  • М.В. Банников Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • И.А. Банникова Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • В.А. Оборин Институт механики сплошных сред УрО РАН

DOI:

https://doi.org/10.7242/2658-705X/2019.4.5

Ключевые слова:

кинетика накопления дефектов, скейлинг, многоцикловая усталость, гигацикловая усталость, математическое моделирование, разрушение, мезоскопические дефекты

Аннотация

В работе приведена методика «in situ» определения накопления необратимых усталостных повреждений, основанная на анализе нелинейных проявлений сигнала обратной связи в замкнутой системе ультразвуковой усталостной установки. В режиме сверхмногоцикловой (гигацикловой) усталости проявляются аномалии упругих свойств материала, что приводит к эффекту нелинейности в амплитуде колебаний. Эффект возрастает с инициированием и ростом усталостной трещины. Предложенная методика была применена к образцам сплава АМГ-6 с предварительной динамической деформацией для определения момента зарождения и роста усталостной трещины. Показано, что метод применим для раннего обнаружения как поверхностной, так и для внутренней усталостной трещины. На основе широкодиапазонных определяющих соотношений для деформированного твердого тела с мезоскопическими дефектами предложена математическая модель, которая способна адекватно описывать поведение материала в процессе усталостного разрушения. Результаты численного моделирования находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

Поддерживающие организации
Статья подготовлена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 16-41-590892 р_а «Экспериментальное исследование стадийности поврежденности при сверхмногоцикловой усталости материалов авиационного моторостроения».

Биографии авторов

  • М.В. Банников, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории Физических основ прочности Института механики сплошных сред УрО РАН (ИМСС УрО РАН)
  • И.А. Банникова, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    кандидат физико-математических наук, сотрудник лаборатории Физических основ прочности, ИМСС УрО РАН
  • В.А. Оборин, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    ведущий инженер лаборатории Физических основ прочности, ИМСС УрО РАН

Библиографические ссылки

  1. Ботвина Л.Р. Гигацикловая усталость - новая проблема физики и механики разрушения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - Т. 70. - № 4. - С. 41.
  2. Bathias C., Paris P. C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. - Marcel Dekker Publisher Co, 2005. - 328 p.
  3. Оборин В.А., Банников М.В., Наймарк О.Б., Palin-Luc T. Масштабная инвариантность роста усталостной трещины при гигацикловом режиме нагружения // Письма в журнал технической физики. - 2010. - Т. 36. -Вып. 22. - C. 76-82. DOI
  4. Cowles B.A. High cycle fatigue in aircraft gas turbines - an industry perspective // International Journal of Fracture, - 1996. - Vol. 80. - P. 147-163. DOI
  5. Шанявский A.A. Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации. - Уфа: ООО «Монография», 2007. - 500 c.
  6. Nicholas T. High Cycle Fatigue. A Mechanics of Material Perspective. - Elsevier, - 2006. - 641 p.
  7. Peters J.O., Ritchie R.O. Influence of foreign object damage on crack initiation and early crack growth during high-cycle fatigue of Ti-6Al-4V, // Eng. Fract. Mech, - 2006. - Vol. 67. - P. 193-207.
  8. Spanrad S., Tong J. Characterisation of foreign object damage (FOD) and early fatigue crack growth in laser shock peened Ti-6Al-4V aerofoil specimens // Materials Science and Engineering A, - 2011. - Vol. 528. - P. 2128-2136. DOI
  9. Oakley S. Y., Nowell D. Prediction of the combined high- and low-cycle fatigue performance of gas turbine blades after foreign object damage // International Journal of Fatigue, - 2007. - Vol. 29. - P. 69-80. DOI
  10. Chen Xi. Foreign object damage on the leading edge of a thin blade // Mechanics of Materials, - 2005. - Vol. 37. - P. 447-457. DOI
  11. Nowell D., Duo P., Stewart I.F. Prediction of fatigue performance in gas turbine blades after foreign object damage // International Journal of Fatigue, - 2003. - Vol. 25. - P. 963-969. DOI
  12. Mughrabi H. Microstructural mechanisms of cyclic deformation, fatigue crack initiation and early crack growth // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, - 2015. - Vol. 373(2038). 20140132. DOI
  13. Zhang, Li-Li, [et al.] On the formation mechanisms of fine granular area (FGA) on the fracture surface for high strength steels in the VHCF regime // International Journal of Fatigue, - 2016. - Vol. 82. - P. 402 -410. DOI
  14. Oborin V., Sokovikov M., Bilalo D., & Naimark O. Multiscale study of morphology of the fracture surface aluminum-magnesium alloy with consecutive dynamic and gigacycle loading // Procedia Structural Integrity, - 2016. - Vol. 2. - P. 1063-1070. DOI
  15. Froustey C., Naimark O., Bannikov M., Oborin V. Microstructure scaling properties and fatigue resistance of pre-strained aluminium alloys (part 1: AlCu alloy // European Journal of Mechanics A/Solids, - 2010. - Vol. 29. - P. 1008-1014. DOI
  16. Oborin V.A., Bayandin Yu. V., Bilalov D. A., Sokovikov M. A., Chudinov V. V, Naimark O. B. Self-similar laws of damage development and evaluation of the reliability of alloys D16T and AMg6 under combined dynamic and gigacycle loading // Phys. Mezomekh, - 2018. - Vol. 21(6). - P. 135-145 DOI
  17. John H. Cantrell, William T. Yost Nonlinear ultrasonic characterization of fatigue microstructures // Int. J. of Fatigue, - 2001. - Vol. 23. - P. 487-490. DOI
  18. Kumar A., Torbet J.C. Pollock M.T., Jones W.J. In situ characterization of fatigue damage evolution in a cast Al alloy via nonlinear ultrasonic measurements // ActaMaterialia, - 2010. - Vol. 58(6). - P. 2143-2154. DOI
  19. Kumar A. [et al.] In situ damage assessment in a cast magnesium alloy during very high cycle fatigue // ScriptaMaterialia, - 2011. - Vol. 64(1). - P.65-68. DOI
  20. Назаров АА. Неравновесные границы зерен в объемных наноструктурных материалах и их возврат под влиянием нагрева и циклической деформации. Обзор // Письма о материалах, - 2018. - Т. 8. - № 3. - с. 372-381 DOI
  21. Li W., Cui H., Wen W., Su X., C.C. Engler-Pinto Jr.: In situ Nonlinear Ultrasonic for Very High Cycle Fatigue Damage Characterization of a Cast Aluminum Alloy // Materials Science and Engineering A, - 2011. - Vol. 645. P. 248-254. DOI
  22. Билалов Д.А., Баяндин Ю.В., Наймарк О.Б. Математическое моделирование процесса разрушения сплава АМг2.5 в режиме много- и гигацикловой усталости // Вычислительная механика, - 2018. - Т. 11. - № 3. - с. 323-334. DOI
  23. Naimark O.B. Collective properties of defects ensembles and some nonlinear problems of plasticity and fracture // Physical mesomechanics, - 2003. - Vol. 6(4), P. 39-63.
  24. Bannikov M., Bilalov D., Oborin V., Naimark O. Damage evolution in the AMg6 alloy during high and very high cycle fatigue, Frattura ed Integrita Strutturale, - 2019. - Vol. 49. - Р. 383-395; DOI
  25. Glushak B.L., Ignatova O.N., Pushkov V.A., Novikov S.A., Girin A.S., Sinitsyn V.A. Dynamic Deformation of Aluminum Alloy AMg-6 at Normal and Higher Temperatures, Journal of Applied Mechanics and Technical Physics., - 2000. - Vol. 41(6). - P. 1083-1086. DOI
  26. Frolov K.V. Mechanical Engineering. Encyclopedia. Volume II-3: Non-ferrous metals and alloys. Composite metallic materials. - Moscow, Mechanical Engineering, - 2001.- 880 p.
  27. Яковлева Т.Ю., Матохнюк Л.Е. Прогнозирование характеристик сопротивления усталости металлов при различных частотах нагружения // Проблемы прочности, -2004. - № 4. - С. 145-155.

Загрузки

Опубликован

2019-12-23

Выпуск

№ 4 (2019)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Банников, М., Банникова, И., & Оборин, В. (2019). Экспериментальное исследование стадийности поврежденности при сверхмногоцикловой усталости материалов авиационного моторостроения. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 4, 50-58. https://doi.org/10.7242/2658-705X/2019.4.5