CC BY
58
Многоцикловая усталость соединенных внахлест пластин алюминиевого сплава на мезоуровне
B.C. Плешанов, В.Е. Панин, В.В. Кибиткин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Оптико-телевизионным методом исследован механизм усталости соединенных внахлест пластин сплава Д16АТ. На мезоуровне выявлены пять характерных стадий накопления повреждений. Приведены типичные поля векторов смещений и показана их эволюция вблизи макроконцентраторов напряжений (отверстие, трещина). Трение и фреттинг-коррозия способствуют ускоренной эволюции деформационной мезоструктуры и развитию усталостных трещин на контактных поверхностях пластин по смешанной моде (I + II). Диагностику механического состояния соединений внахлест можно осуществить по совокупности качественных и количественных характеристик развития доминирующей поверхностной усталостной трещины.
1. Введение
Соединения внахлест являются одними из наиболее распространенных в узлах крепления элементов металлоконструкций. Например, в авиационных конструкциях насчитывается до 1-2 млн заклепок и 60-200 тыс. болтов [1]. Обшивка таких конструкций является работающим элементом, воспринимающим до 70-90 % внешних нагрузок. Разрушение планера самолета, как правило, носит усталостный характер. До 75-80 % всех усталостных разрушений самолетов начинается в местах соединения элементов конструкций, затем трещина распространяется по ослабленному сечению скрепленных внахлест пластин [2]. Заклепочные и болтовые соединения часто подвергаются воздействию циклических растягивающих напряжений [3].
Согласно данным работ [4, 5] распределение касательных напряжений в плоской пластине с круговым отверстием при одноосном растяжении имеет вид, представленный на рис. 1. Из схемы видно, что любое смещение и^ в результате пластической деформации можно представить в виде векторной суммы продольной их и поперечной иу компонент сдвига. Продольная состав-
ляющая, направление которой совпадает с осью растяжения, отвечает за формирование и развитие трещины нормального отрыва (мода I). Соответственно поперечная составляющая определяет развитие трещины поперечного сдвига (мода II). Следовательно, в реальных условиях нагружения пластин с отверстием, соединенных внахлест, наиболее вероятно развитие трещины по смешанному типу (моды I + II).
Особенностью соединений внахлест является то, что наряду с влиянием исходного макроконцентратора напряжений — крепежного отверстия — большую роль в механизме накопления повреждений при циклическом нагружении играют процессы трения и фреттинг-корро-зии на контактных поверхностях, сопровождаемые деформацией смятия материала в зоне сжимающего воздействия крепежного стержня.
Отрицательное влияние трения на характеристики сопротивления усталости материала хорошо известно. Долгое время считалось, что это связано с уменьшением размеров деталей вследствие износа и соответственно с увеличением циклических напряжений, а также ухудшением состояния поверхности при трении. Полу-
© Плешанов B.C., Панин В.Е., Кибиткин В.В., 2003
Рис. 1. Схема распределения касательных напряжений в плоской пластине с отверстием при растяжении
ченные в последние 15-20 лет результаты позволяют утверждать, что износоусталостное повреждение материалов имеет гораздо более сложный комплексный характер и не представляет собой арифметической суммы независимых слагаемых — повреждений вследствие усталости, трения и износа [6-9]. В результате этого предел выносливости может уменьшаться, оставаться неизменным или увеличиваться. Трение, изнашивание и их взаимосвязь с процессом усталости являются предметом изучения трибофатики [10-12].
Поэтому как с научной, так и практической точек зрения важно знание механизмов накопления повреждений в соединенных внахлест поликристаллических пластинах вблизи крепежных отверстий. Усталость материала органически связана с эволюцией внутренней структуры и необратимой деформацией. Экспериментальные исследования накопления усталостных повреждений материала в настоящей работе проведены на мезомасштабном уровне, результаты обсуждаются в рамках физической мезомеханики материалов [13].
2. Условия эксперимента
Измерение пластической деформации, определяющей развитие усталостного разрушения, осуществлялось с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC, разработанного в ИФПМ СО РАН. Оптико-телевизионный метод основан на компьютерной обработке двух оптических изображений поверхности, последовательно зафиксированных в процессе нагружения [13, 14]. Результатом измерения является векторное поле — поле векторов необратимых смещений элементарных участков исследуемой поверхности. Метод имеет высокую разрешающую способность (1.5*103-3* 105 векторов смещений/мм2) и позволяет измерять широкий диапазон амплитуд смещений (0.215 мкм) без специальной подготовки поверхности. Математическая обработка измеренных полей смещений
позволяет получить распределения локальных компонент тензора пластической деформации и удельного главного пластического сдвига у р1 [15].
В настоящей работе на мезоуровне исследован механизм многоцикловой усталости плоских пластин из алюминиевого сплава Д16АТ, соединенных внахлест (модель элемента реальной конструкции — болтового или заклепочного соединения).
Форма и геометрические размеры образцов приведены на рис. 2. Пластины с размерами 45x10x0.9 мм имели отверстие диаметром 2 мм и были соединены жестким стержнем — стальным винтом — с зазором ~0.1 мм (то есть без натяга). Испытания проводили в условиях многоцикловой усталости по схеме одноосного циклического растяжения силой Г = 245 Н при частоте 1.5 с-1. Поверхность образцов предварительно механически полировали. После приращения циклической нагрузки образец полностью разгружали, что позволяло устранить упругую составляющую смещений. Исследования проводили в пределах всей последовательности стадий усталости вплоть до разрушения образцов.
3. Результаты исследований и их обсуждение
Результаты экспериментальных исследований показали, что в процессе многоцикловой усталости соединенных внахлест пластин можно выделить пять типичных стадий развития разрушения.
1. Деформационное упрочнение и образование стохастически распределенных зон пластических сдвигов и очагов фреттинг-коррозии на поверхностях трения, сопровождаемые смятием материала в области взаимодействия стержня (винта) с пластинами (0 < N <
< 0.тъ).
2. Зарождение и рост усталостных трещин на контактных поверхностях (0.1 N2 < N < 0.3N2).
3. Развитие доминирующих трещин на обеих сторонах пластины (0.3N2 < N < 0.7N2).
4. Формирование и развитие магистральной трещины, сопровождаемое ростом вторичных трещин (0.7N2 < N < 0.95N2).
5. Образование треугольной зоны пластической вытяжки и долом образца (0.95^ < N < N2).
1 ' Д 1
п 02
* 45 в
-ф- о
Рис. 2. Форма и геометрические размеры образцов
Рис. 3. Схема расположения областей наблюдения А, В, С и полярная система координат, связанная с центром отверстия
Рассмотрим содержание стадий накопления усталостных повреждений более подробно.
Стадия I (0 < N < 0.1NX). На рис. 3 показаны области наблюдения и полярная система координат. С самых первых циклов нагружения в зоне контактного взаимодействия винта с пластинами (С1, С2) регистрируется активное пластическое течение (рис. 4, а), обусловленное напряжениями сжатия. Распределение деформации симметрично относительно оси растяжения и весьма неоднородно в радиальном направлении (рис. 4, б).
Зависимости амплитуд сдвигов и х от радиального расстояния р при заданных полярных углах ф показаны на рис. 5. Они построены на основе численных данных векторного поля. Значения их (р, ф) вычислялись по формуле
их(р, ф) = )/и2х + и2у, (1)
где р, ф — полярные координаты некоторой точки; их (uy ) — проекции смещений данной точки на направление внешней силы (направление нормали к внешней силе).
Это позволяет выделить три характерные зоны деформации смятия. Первая — узкая область непосредственно вблизи края отверстия шириной 40-60 мкм. Здесь высокие значения имеют как амплитуды смещений, так и удельный главный пластический сдвиг уpl (рис. 4, б). Значения у pl вычисляли по формуле
Ypi(x, y) =J(ехх -еyy )2 + 4е%lAN, (2)
где ехх, еyy, еху — компоненты тензора пластической деформации; AN — приращение циклической нагрузки.
При удалении от отверстия (ф = const, р увеличивается) амплитуды необратимых смещений быстро умень-
0 0.2 0.4 х, мм
Рис. 4. Поле векторов смещений в области С (а) и соответствующее распределение значений удельного главного пластического сдвига Y pl (б); N = 0.5-104, AN = 4-104 (N — исходное число циклов нагружения, AN — приращение циклической нагрузки)
шаются и составляют единицы микрометров (рис. 5). Это соответствует второй зоне деформации, которая имеет форму «гало». Ее ширина в направлении максимальных напряжений сжатия (ф = 0) может изменяться в пределах 0.15-0.45 мм и в среднем составляет 0.2 мм. При удалении от оси нагружения (р = const, ф изменя-
uz, мкм
1.0 1.2 1.4 р, мм
Рис. 5. Зависимости амплитуды сдвигов и2 в области смятия от расстояния р до центра отверстия для фиксированных полярных углов ф: о — 5 °, д — 10°, т — 15°, □ — 20°, ■ — 24°, • — 28°; N = 0.5104, = 4104
vx, нм/цикл 103
101
10"1
Ю'3
10-2 10й 10° 101 N. хЮ3
Рис. 6. Зависимости скорости продольных смещений Vх в зонах 1 (ф ~ 0, р = 1.04 мм) и 2 (ф ~ 0, р = 1.2 мм) от циклической нагрузки N
ется) значения смещений уменьшаются до нуля. Вторая зона — это зона умеренной пластической деформации.
Третья зона соответствует области упругого деформирования материала, где необратимые смещения практически отсутствуют.
Развитие процессов пластического течения во времени будем характеризовать скоростью смещений:
Чх = их/^ >
(3)
Чу = иу/ NN.
Зависимости скорости продольных смещений Vх в первой и второй зонах деформации смятия от числа циклов нагружения (циклической нагрузки) приведены на рис. 6. Видно, что значения скорости изменяются в очень широком диапазоне (в пределах 5-6 порядков) и носят убывающий характер вплоть до N ~ 3 • 104. Эти зависимости в логарифмическом масштабе представляют собой прямые и могут быть аппроксимированы степенной функцией:
Чх = Чх 0 Nа. (4)
В зоне 1 чх0 = 37.8 мкм/цикл, а = -1.28, для зоны 2 Чх0 = 3.31 мкм/цикл, а = -1.13. Следовательно, уже в первом цикле нагружения скорость пластических продольных смещений в области контакта достигает
~30 мкм/цикл, а во второй зоне-------3 мкм/цикл. При
дальнейшем нагружении в процессе деформационного упрочнения значения скорости смещений быстро уменьшаются и происходит локальное разрушение материала в зоне 1. Отверстие при этом принимает форму эллипса с большой полуосью в направлении оси растяжения.
Однако несмотря на активно протекающие процессы смятия материала в области контакта «винт - пластина» основной причиной разрушения соединений внахлест является усталость металла, ускоряемая процессами трения и фреттинг-коррозии. Наиболее активно усталостные повреждения формируются на контактных
поверхностях в зонах с максимальными интенсивностями растягивающих напряжений, то есть в областях А и В (рис. 3). Вдали от отверстия средние действующие напряжения равны а 0 = Г/ (М) = 27 МПа, где а — ширина пластин, I—толщина пластин. Для данной геометрии отверстия коэффициент концентрации напряжений равен К ~ 3.14 [16]. Значит, вблизи отверстия (области А, В) амплитудные значения напряжений достигают а а = а в = Ка0 = 85 МПа. При переменном нагружении это соответствует многоцикловой усталости.
С самого начала приложения нагрузки на всех поверхностях соединенных внахлест пластин возникают неоднородные поля необратимых смещений. Они представляют собой совокупность случайным образом распределенных зон пластических сдвигов с размерами до 100-250 мкм. На внутренних (контактных) поверхностях на эти поля накладываются также стохастически распределенные очаги фреттинг-коррозии, инициирующие генерацию усталостных повреждений в материале. В процессе нагружения в связи с деформационным упрочнением материала интенсивность пластических сдвигов быстро уменьшается, а количество и размеры очагов фреттинг-коррозии растут.
Стадия II (0.1^ < N < 0.3N2). Процессы трения и фреттинг-коррозии на контактных поверхностях образцов ускоряют образование дефектного слоя, способствуют зарождению и распространению несплошнос-тей. При N ~ (2-3)• 104 на внутренних поверхностях пластин от края крепежного отверстия зарождаются поверхностные микротрещины. При N ~ 4-104 начинает развиваться доминирующая поверхностная усталостная трещина.
Зависимости скорости роста усталостных трещин от текущего значения коэффициента интенсивности напряжений приведены на рис. 7. Значения коэффициента интенсивности напряжений рассчитывали по формуле для плоскости с круговым отверстием и радиальной тре-
1 2 К,, МПа-м1/2
Рис. 7. Зависимости скорости роста усталостных трещин dL/dN от текущего значения коэффициента интенсивности напряжений К1: о — трещина на контактной (внутренней) поверхности; • — трещина на внешней поверхности. Границы стадий усталостного разрушения отмечены пунктирными линиями
Рис. 8. Изображения трещины (а) и соответствующее поле векторов смещений (б) на стадии ее хрупко-пластического роста; N = 83 • 103, Л^= 6-103
щиной, выходящей на его контур [17]. Влиянием вторичных трещин пренебрегали. Эта диаграмма разрушения позволяет связать механизмы усталостного разрушения на макро- и мезомасштабных уровнях.
В окрестности трещины пластическая деформация в полях смещений практически не фиксируется, что свидетельствует о квазихрупком характере развития разрушения на мезоуровне. Трещина в процессе нагружения развивается скачкообразно.
При N > 50-103 рост доминирующей трещины начинает сопровождаться пластической деформацией перед ее вершиной. Два взаимодействующих между собой макроконцентратора напряжений — отверстие со стержнем и трещина — определяют дальнейший процесс развития разрушения. Отверстие генерирует поперечные пластические сдвиги, а усталостная трещина локализует их вдоль своих берегов (рис. 8). Она растет не только в длину, но и в глубину и, действуя как острый надрез, подготавливает образование трещины на противоположной поверхности пластины.
Используемая схема нагружения (циклическое растяжение) должна способствовать развитию трещины по моде I, а геометрия образца (близкая к плоскому напряженному состоянию) благоприятствует развитию пластической деформации по всему сечению. Однако вследствие воздействия соединительного стержня и процесса
фреттинг-коррозии значительно облегчается относительное скольжение берегов трещины, и ее развитие принимает смешанный характер (I + II).
Характерное поле смещений приведено на рис. 9. Видно, что перед вершиной трещины материал фрагментируется и образуется доменная деформационная мезоструктура, определяющая будущее развитие трещины по границам мезодоменов. Вихревой характер пластических сдвигов типичен для трещины поперечного сдвига (тип II). Действие внешней растягивающей силы вызывает раскрытие берегов трещины, что соответствует разрушению по моде I (нормальный отрыв) [18, 19].
Стадия III (0.3N2 < N < 0.7N2^). Дальнейшее незначительное приращение циклической нагрузки (AN ~ ~ 1.5-103) приводит к возникновению на внешней стороне пластины поверхностной трещины. Трещины на внутренней и внешней поверхностях развиваются в начале данной стадии независимо. Трещина на контактной поверхности растет с ускорением (рис. 7), что обусловлено активирующим действием трения и фреттинг-кор-розии. Скорость трещины на внешней поверхности остается приблизительно постоянной.
Изображение трещины и типичное поле смещений перед ее вершиной на внешней поверхности приведены на рис. 10, а, б. Распределение значений удельного главного пластического сдвига (рис. 10, в) позволяет выявить деформационную структуру вблизи вершины усталостной трещины. Она включает в себя локальную зону непосредственно перед вершиной и одну боковую полосу пластичности. Накопление повреждений наиболее активно происходит в зоне перед вершиной, где значения у р1 больше, чем в боковой полосе, приблизительно в 2-3 раза. Обычно в условиях циклического растяжения в образцах без поверхностей трения вблизи вершины трещины кроме локальной зоны непосредственно перед вершиной образуются две боковые полосы пластичности [15, 20-22].
. . ' г// . . . , ' [ [ г///г/// ■■ГГ г//////
Рис. 9. Поле смещений перед вершиной трещины смешанной моды (I + II) на внутренней поверхности пластины
Ур|Х106, 1/цикл
Рис. 10. Изображение доминирующей поверхностной трещины (а), соответствующее векторное поле (б) и распределение значений главного пластического сдвига (в) на внешней поверхности пластины; N= 106-103, АМ = 6-103
Пластическое течение перед вершиной трещины имеет сложный объемный характер и невидимо на оптическом изображении. Тем не менее, компьютерная обработка последовательно зафиксированной пары оптических изображений позволяет его обнаружить в поле векторов смещений. Это дает возможность диагностировать момент образования трещины на внешней поверхности соединенных внахлест пластин.
При хрупко-пластическом характере роста усталостной трещины поля смещений перед ее вершиной подоб-
ны друг другу. Поэтому их можно характеризовать сред- 2
ними значениями скорости поперечных смещений Чу и скорости продольных смещений (скорости раскрытия) иу, которые рассчитываются по формулам:
Vх2= \игх - их|/АМ,
2 I Н/ (5)
и2= \иу - иУ|/АN,
где иГх, Ых (и у, и у ) — проекции средних смещений на направление внешней силы (направление нормали к внешней силе) справа и слева от трещины соответственно. Такой подход весьма эффективен, так как позволяет заменить векторное поле точкой на графике и, таким образом, проследить эволюцию накопления повреждений. Помимо этого, удается устранить постоянную составляющую, с точностью до которой измеряется поле смещений.
22
Зависимости их и иу вдоль длины доминирующей трещины Ь на внутренней поверхности пластины от циклической нагрузки N показаны на рис. 11. Хорошо видно, что с ростом циклической нагрузки значения ско-
Рис. 11. Зависимости скорости раскрытия иу (а) и скорости поперечных сдвигов иу (б) доминирующей трещины вдоль ее длины Ь от циклической нагрузки N
£ £
Рис. 12. Скорости Продольных их (•) и поперечных 11у (V) смещений перед вершиной исходной трещины в зависимости от числа циклов нагружения N
рости поперечных сдвигов на данной стадии несколько выше значений скорости раскрытия и в целом растут в пределах двух порядков. Макроконцентратор напряжений «отверстие - винт» действует как генератор поперечных сдвигов в течение всего времени жизни образца. С ростом длины трещины сдвиги продолжают распространяться от отверстия и регистрируются вблизи ее берегов. Скорость раскрытия трещины на данной стадии разрушения в целом остается почти постоянной, хотя и может скачкообразно изменяться в пределах одного порядка величины. После образования магистральной трещины роль поперечных сдвигов уменьшается и определяющим становится раскрытие ее берегов. Аналогичный характер имеют зависимости их (L, ^ и и£ (L, N) для трещины на внешней поверхности пластины.
Значения скорости продольных и поперечных пластических смещений перед вершиной трещины в зависимости от циклической нагрузки показаны на рис. 12. Видно, что эти скорости на протяжении всей третьей стадии составляют в среднем 0.08-0.1 нм/цикл, имеют неустойчивый характер и изменяются в пределах одного порядка. Развитие трещины по моде I или по моде II примерно равновероятно, но скорость поперечных сдвигов в среднем несколько выше. Реально трещина содержит обе моды — нормального отрыва и поперечного сдвига, то есть развивается по смешанному механизму (I + II). Перед разрушением скорость раскрытия ее берегов резко возрастает и достигает 160 нм/цикл и выше.
Первая трещина (на контактной поверхности) играет, в сущности, роль ведущей. Ее скорость на данной стадии постепенно возрастает с 7 до 20 нм/цикл. Она, действуя подобно надрезу, полями упругих напряжений обеспечивает устойчивый рост второй трещины, скорость которой уже с момента возникновения оказывается высокой и составляет около 12 нм/цикл. Критическое значение коэффициента интенсивности напряжений в данных условиях испытаний составляет KIC ~
~ 2.65 МПам12. Процессы трения и фреттинг-коррозии активируют зарождение и рост усталостных трещин на контактных поверхностях, поэтому пороговое значение роста усталостных трещин КЛ снижено.
К концу данной стадии трещины на обеих поверхностях пластины развиваются взаимосогласованно и их скорости становятся приблизительно равными (рис. 7). Трещины, образующиеся позже первичных (доминирующих), будем называть вторичными (запаздывающими). Зависимости длины и скорости роста трещин в одной из пластин от циклической нагрузки приведены на рис. 13. На данной стадии вторичные трещины растут квазихрупко и их рост не сопровождается пластической деформацией вблизи вершины. Эволюция первичных трещин в конце стадии хрупко-пластического роста свидетельствует о переходе разрушения к магистральному характеру развития и достижении предельного состояния (состояния предразрушения) нагруженного соединения внахлест.
В пределах II и III стадий (0.8 < К1 < 2.1 МПа • м^2) справедливо уравнение Париса dN = и0( KI)п, где
и0, п — некоторые константы. Для первой трещины и0 = 4 нм/цикл, п = 1.39, для второй трещины и0 = = 12.4 нм/цикл, п = -0.2.
Стадия IV (0.7N£ < N < 0.95N£). В начале четвертой стадии трещины на противоположных поверхностях еще остаются поверхностными. Скорость развития
Рис. 13. Зависимости длины £ (а) и скорости роста dL/dN (б) усталостных трещин от числа циклов нагружения N первичные трещины (1, 2); вторичные трещины (3, 4)
трещин по глубине максимальна вблизи краев отверстия. При их движении навстречу друг другу наступает момент, когда все остаточное сечение материала между трещинами охвачено пластическими сдвигами. Такой характер макромасштабного пластического течения в виде полосы локализованной пластической деформации приводит к образованию магистральной (сквозной) трещины [18, 23].
Доминирующие поверхностные усталостные трещины, развиваясь в глубину, сливаются в магистральную трещину при N ~ 2.5-105. Скорость ее распространения превышает 20 нм/цикл, а текущее значение коэффициента интенсивности напряжений составляет более 2.3 МПа-м1/2. Начиная с данной стадии, действие положительной обратной связи между циклирующим нагружением и развитием трещины становится все более значимым. Чем больше вырастает трещина, тем меньше становится площадь поперечного сечения, тем выше среднее действующее напряжение, вызывающее рост скорости магистральной трещины (рис. 12, 13). Этот процесс, развиваясь лавинообразно, остается прерывистым во времени. Требуется все меньшее количество циклов нагружения для очередного скачка трещины и возобновления пластического течения перед ее фронтом.
На данном этапе начинают возрастать также скорости продольных и поперечных смещений, которые стремятся охватить своим влиянием всю длину магистральной трещины (рис. 11) и материал перед ее вершиной (рис. 12). Трещина по-прежнему развивается по смешанному типу (I + II), но составляющая нормального отрыва становится все больше. В средней части трещины регистрируется активное раскрытие берегов в направлении приложенной силы.
Возрастание среднего напряжения в пластине способствует активному развитию в ней вторичных трещин по другую сторону от отверстия и их взаимодействию между собой. Рост магистральной трещины вызывает увеличение нескомпенсированного поворотного момента в образце, который дополнительно активирует вторичные трещины. В результате последние развиваются с ускорением, а перед их вершинами и вблизи берегов наблюдается активное пластическое течение по смешанному типу (I + II). На четвертой стадии значения скорости смещений вблизи вершин вторичных трещин находятся на уровне 0.1-0.3 нм/цикл, а их рост носит хрупко-пластический характер.
В пределах четвертой стадии отношение скорости роста трещины dL/dN к скорости ее раскрытия V£ для магистральной трещины возрастало примерно от 150 до 300, а для запаздывающих трещин это отношение изменялось в пределах 40-80. Следует особо подчеркнуть, что, начиная с данной стадии, рост усталостной трещины приобретает нестабильный характер. Такое состояние нагруженного материала является критичес-
ким для элементов конструкций в условиях их эксплуатации.
Стадия V (0.95N£ < N < N£). Эта заключительная стадия разрушения связана с достижением средним приложенным напряжением уровня предела текучести материала в результате геометрического разупрочнения пластин в процессе эволюции магистральной трещины.
Длина магистральной трещины к началу данной стадии достигла 3 мм, а коэффициент интенсивности напряжений — 2.4 МПа-м1/2, что близко к критическому значению Кю. Скорость трещины катастрофически возрастает. В начале стадии она составляла около 30 нм/цикл, а к концу стадии через 15-103 циклов (AN = 0.05^) увеличивается в сто раз (рис. 13, б). Время (число циклов) до очередного скачка трещины быстро падает, а его величина растет. Скорость поперечных сдвигов возрастает по всей длине магистральной трещины, но скорость раскрытия ее берегов выше примерно на порядок. Это означает, что в пределах пятой стадии магистральная трещина является преимущественно трещиной нормального отрыва (мода I). На этом
этапе скорость V£ возрастает с ~ 0.1 до 10 нм/цикл, а
£
скорость раскрытия vx — с ~ 0.1 до ~ 100 нм/цикл (рис. 12).
Берега магистральной трещины раскрываются с высокой скоростью по всей длине (рис. 11). Перед ее вер-
Рис. 14. Изображение вершины магистральной трещины (а) и соответствующее векторное поле (б); N = 2.84-105, AN = 5-102
шиной регистрируется мощное пластическое течение (рис. 14), соответствующее трещине нормального отрыва. Видно, что только на последней стадии перед вершиной трещины появляется вторая боковая полоса пластичности.
При N ~ 2.75-105 от вершины магистральной трещины к боковой поверхности образца формируется зона пластической вытяжки, имеющая треугольную форму. Ее образующие ориентированы в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений под углами ± 45 ° к направлению действующей силы. В пределах этой зоны регистрируется мощное анизотропное пластическое течение, особенностью которого является появление встречного к направлению движения трещины потока (рис. 15).
На этапе формирования зоны пластической вытяжки продолжается активный хрупко-пластический рост вторичных трещин на обеих поверхностях пластины по другую сторону от отверстия. Их скорости в пределах пятой стадии возрастают в 10-15 раз. Однако развитие вторичных трещин является аккомодационным эффектом по отношению к росту магистральной трещины и не определяет процесс глобального разрушения. Последняя стадия усталости соединенных внахлест пластин является непродолжительной (А^ ~ 0.05N£) и завершается доломом образца в пределах зоны пластической вытяжки.
Рис. 15. Изображение зоны пластической вытяжки (а) и соответствующее векторное поле (б); N = 284.6-103, AN = 3-102
Стадийность накопления повреждений в сопряженной пластине проявляется аналогичным образом. Следует отметить, что разрушение соединений внахлест происходит обычно по одной из пластин — там, где развитие первичных трещин носит опережающий характер.
4. Заключение
Процесс усталостного разрушения соединенных внахлест поликристаллических пластин на мезомасш-табном уровне в условиях контактного взаимодействия поверхностей характеризуется пятью стадиями. Каждой стадии соответствует свой тип деформационной мезо-структуры и определенные количественные характеристики накопления повреждений.
При циклическом растяжении соединенных внахлест пластин процессы трения и фреттинг-коррозии способствуют ускорению формирования и эволюции деформационной мезоструктуры, мезомасштабной фрагментации материала, активируют зарождение и рост усталостных трещин на контактных поверхностях. Этим обусловлено снижение в 2-3 раза порогового КЛ и критического Кю значений коэффициента интенсивности напряжений для соединений внахлест по сравнению с поликристаллами без поверхностей трения. В связи с этим в соединенных внахлест пластинах происходит относительно более раннее наступление стадий хрупкого и хрупко-пластического роста поверхностных трещин.
Развитие поверхностных трещин на стадии хрупкопластического роста происходит по смешанному типу «нормальный отрыв + поперечный сдвиг» (моды I + II). При этом деформационная структура вблизи вершины усталостной трещины включает зону непосредственно перед вершиной и одну боковую полосу пластичности. На стадии магистрального разрушения схема нормального отрыва (мода I) становится преимущественной.
Предельное состояние (состояние предразрушения) циклически нагруженных пластин, соединенных внахлест, связано со стадией хрупко-пластического роста первичных поверхностных трещин по границам доменной мезоструктуры на обеих сторонах пластины. Диагностику механического состояния материала (элемента конструкции), в том числе состояния предразрушения, можно осуществить по совокупности качественных и количественных характеристик деформационных мезо-структур, связанных с развитием доминирующей усталостной трещины.
Литература
1. Вигдорчик С.А. Технологические основы проектирования и конст-
руирования самолетов. - М.: МАИ, 1974. - Ч. 1. - 140 с.
2. Вигдорчик С.А. Конструктивно-технологические пути увеличения
усталостного ресурса самолетов. - М.: МАИ, 1980. - 64 с.
3. Ярковец А.И., Сироткин О.С., Фирсов В.А., Киселев Н.М. Технология выполнения высокоресурсных заклепочных и болтовых
соединений в конструкциях самолетов. - М.: Машиностроение, 1987.- 192 с.
4. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975.- 576 с.
5. Дерюгин Е.Е. Метод элементов релаксации. - Новосибирск: Наука,
1998. - 253 с.
6. Сосновский Л.А. Механика усталостного разрушения: Словарь-справочник. - Гомель: НПО «Трибофатика», 1994. - Т. 1. - 328 с, Т. 2. - 667 с.
7. Сосновский Л.А., Махутов НА. Методологические проблемы комплексной оценки поврежденности и предельного состояния силовых систем // Заводская лаборатория. - 1991. - № 5. - С. 27^0.
8. LazzeriL. Fatigue behaviour of riveted Glare lap joints // Fatigue Fract.
Engng. Mater. Struct. - V. 24. - P. 579-589.
9. Сосновский Л.А., Махутов Н.А., Шуринов В.А. Фреттинг-ус-талость: основные закономерности // Заводская лаборатория. -1992.- № 8. - С. 45-62.
10. Сосновский Л.А. Трибофатика: основные термины и определения // Трение и износ. - 1992. - № 4. - С. 728-734.
11. Фролов К.В., Махутов Н.А. Трибофатика: новые машины и методы испытаний // Заводская лаборатория. - 1995. - № 5. - С. 3233.
12. Сосновский Л.А. Экспериментальные основания трибофатики. Сообщение 1 // Проблемы прочности. - 1997. - № 3. - С. 74-82.
13. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с, Т. 2. - 320 с.
14. Панин В.Е., Плешанов В.С., Кибиткин В.В., Сапожников С.В. Анализ полей векторов смещений и диагностика усталостного разрушения алюминиевого сплава на мезоуровне // Дефектоскопия. -1998. - № 2. - С. 80-87.
15. Плешанов В.С., Панин В.Е., Кибиткин В.В., Лебедева Н.А. Эволюция мезоструктуры и кинетика накопления усталостных повреждений в сварных соединениях конструкционной стали в условиях, близких к плоскому напряженному состоянию // Физ. мезомех. -2001. - Т. 4. - № 6. - С. 105-117.
16. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. - М.: Мир, 1977. - 302 с.
17. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений / Под ред. Ю. Мураками. - М.: Мир, 1990. - Т. 1. - 448 с.
18. Хеллан К. Введение в механику разрушения. - М.: Мир, 1988. -364 с.
19. Плешанов В.С., Кибиткин В.В., Панин В.Е. Экспериментальная оценка типа разрушения и характеристик трещиностойкости поликристаллов оптико-телевизионным методом на мезоуровне при циклическом нагружении // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 4. -С. 87-90.
20. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие / Под ред. В.В. Панасюка. - Киев: Наукова думка, 1990. - Т. 4. -680 с.
21. Черепанов Г.П. Пластические линии разрыва в конце трещины // Прикладная математика и механика. - 1976. - Т. 40. - № 4. -
С. 720-728.
22. Плешанов В.С., Панин В.Е., Кибиткин В.В., Лебедева Н.А. Мезо-масштабные критерии диагностики механического состояния и предразрушения циклически нагруженных сварных соединений // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2003. -№2.- С. 117-124.
23. Быдзан А.Ю., Панин С.В., Почивалов Ю.И. Механизм формирования мезоскопической деформационной структуры в образцах поликристаллических материалов при знакопеременном плоском изгибе // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 3. - С. 43-52.
High-cycle fatigue of lap-joint plates from aluminum alloy at the mesolevel
V.S. Pleshanov, V.E. Panin, and V.V. Kibitkin
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
The television-optical method is used to investigate the fatigue mechanism of lap-joint plates from D16AT alloy. Five characteristic stages of damage accumulation are revealed at the mesolevel. Typical displacement vector fields are given and their evolution near stress macroconcentrators (hole and crack) is shown. Friction and fretting corrosion promote a rapid evolution of deformation mesostructure and propagation of fatigue cracks on contact plate surfaces by a mixed mode (I + II). The diagnostics of the mechanical state of lap joints can be carried out using a combination of qualitative and quantitative characteristics of propagation of the dominant surface fatigue crack.
