Техніка та енергетика

МЕТОДИЧНИЙ ПІДХІД ЩОДО ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОШКОДЖЕННЯ ЦИКЛІЧНО НАВАНТАЖУВАНИХ ЗРАЗКІВ МЕТАЛОКОНСТРУКЦІЙ

Георгій Георгійович Писаренко, Олександр Володимирович Войналович, Андрій Миколайович Майло, Степан Георгійович Писаренко
Завантажити статтю
Анотація

В статті розглядається актуальна задача розроблення інженерних методів прогнозування довговічності сучасних машин тривалого ресурсу, яка має базуватися на методології відстеження ступеню втомного пошкодження матеріалів та конструкційних елементів. Мета статті – обґрунтувати методичний підхід для визначення граничного стану пошкодженості із застосуванням фотометричного аналізу топографії мікроздеформованої поверхні циклічно навантажуваних зразків металоконструкції. У роботі було використано розроблену експериментально-інформаційну систему на основі методу когерентно-оптичного сканування деформованої поверхні зразків металоконструкції з виокремівністю 0,2 мкм/пкс. Комп’ютерно проаналізовано отримані спеклограми фотодіодної матриці, що у відтінках сірого 0-255 відповідають двовимірним зображенням мікроздеформованої поверхні зразка для окремих етапів циклічного багатоциклового навантажування. Для досліджуваних конструкційних сталей Ст 45 і Ст 20 виявлено вплив тривалості циклічного навантажування на статистичні характеристики яскравості спеклограм (гостровершинність гістограм та асиметрію функції нормального розподілу). Побудовано діаграми змін ступеню яскравості спеклограм, що відповідають кінетиці накопичування амплітуди деформаційного мікрорельєфу поверхні лабораторних зразків за втоми. Показано, що отримана кореляційним методом кінетика яскравості спеклів, що корелює з еволюцією накопичення втомної пошкоджуваності на поверхні зразків досліджених сталей, характеризується нелінійною функцією, що узгоджується з результатами досліджень деформаційного мікрорельєфу, отриманих іншими методами. Результати дослідження (методологія аналізу дискретного розподілу яскравості спеклограм) можуть бути використані для прогнозування настання граничного стану  металоконструкції перед її зруйнуванням внаслідок втоми

Ключові слова

втома металів і сплавів, кореляційний аналіз, мікропластичне деформування поверхні, деформаційний мікрорельєф, фотометричне сканування

ЦИТУВАТИ
Pysarenko, G., Voinalovich, O., Maylo, A., & Pysarenko, S. (2022). A methodical approach to determining the damage characteristics of cyclically loaded samples of metal structures. Machinery & Energetics, 13(4), 28-37. https://doi.org/10.31548/machenergy.13(4).2022.28-37
Використані джерела

[1] Chernousenko, O., Butovsky, L., Rindyuk, D., Granovska, O., & Moroz, O. (2017). Analysis of residual operational resource of high-temperature elements in power and industrial equipment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(8), 20-26. doi: 10.15587/1729-4061.2017.92459.

[2] Pogrebniak, A., & Kasperska, V. (2022). Fatigue resistance of metal construction materials and its relationship with changes in the state of thin surface layers. Mechanics and Advanced Technologies, 6(2), 143-150.

[3] Shi, Y., Yang, X., Yang, D., Shi, D, Miao, G., & Wang, Z. (2020). Evaluation of the influence of surface crack-like defects on fatigue life for a P/M nickel-based superalloy FGH96. International Journal of Fatigue, 137, article number 105639. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105639.

[4] Pysarenko, G., Voynalovich, O., Maylo, A., & Pysarenko, S. (2022). Deformation defects of the structural material as a factor of life aging. Procedia Structural Integrity, 36, 30-35. doi: 10.1016/j.prostr.2021.12.079.

[5] Dequiedt, J.L., & Denoual, C. (2021). Localization of plastic deformation in stretching sheets with a crystal plasticity approach: Competition between weakest link and instable mode controlled process. International Journal of Solids and Structures, 210-211, 183-202. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2020.11.021.

[6] Froustey, C., Naimark, O., Bannikov, M., & Oborin, V. (2010). Microstructure scaling properties and fatigue resistance of pre-strained aluminium alloys (part 1: Al-Cu alloy). European Journal of Mechanics. A/Solids, 29, 1008-1014. doi: 10.1016/j.euromechsol.2010.07.005.

[7] Gajdoš, L., Šperl, M., Kaiser, J., & Mentl, V. (2013). Microplastic limit of steels as a means of fatigue limit determination. Procedia Engineering, 66, 635-642. doi: 10.1016/j.proeng.2013.12.115.

[8] Zhu, X.-K., & Joyce, J.A. (2012). Review of fracture toughness (G, K, J, CTOD, CTOA) testing and standardization. Engineering Fracture Mechanics, 85, 1-46. doi: 10.1016/j.engfracmech.2012.02.001.

[9] Bufford, D., Stauffe, D., Mook, W., Asif, S., Boyce, B., & Hattar, K. (2016). High cycle fatigue in the transmission electron microscope. Nano Letters, 16(8), 4946-4953. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b01560.

[10] Liedmann, J., & Barthold, F.-J. (2017). Exploration of internal response sensitivities of materially nonlinear structures. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, 17, 745-746. doi: 10.1002/pamm.201710340.

[11] Al-Salih, H., Juno, M., Collins, W., Bennett, C., & Li,J. (2021). Application of a digital image correlation bridge inspection methodology on geometrically complex bifurcated distortion-induced fatigue crackin. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structure, 44(11), 3186-3201. doi: 10.1111/ffe.13453.

[12] Algarni, M., Choi, Y., & Bai, Y. (2017). A unified material model for multiaxial ductile fracture and extremely low cycle fatigue of Inconel 718. International Journal Fatigue, 96, 162-177. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2016.11.033.

[13] Suhartono, H.A., Kirman, K., & Prawoto, Y. (2022). On the influence of the initial shear damage to the cyclic deformation and damage mechanism. Metals, 12(7), 1-24. doi: 10.3390/met12071072.

[14] Man, J., Vystavel, T., Weidner, A., Kuběna, I., Petrenec, M., Kruml, T., & Polák, J. (2012). Study of cyclic strain localization and fatigue crack initiation using FIB technique. International Journal of Fatigue, 39, 44-53. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2011.05.002.

[15] Radel, J.C., Belanger-Garnier, V., & Hegedus, M.P. (2018). Virtual image determination for mirrored surface. Optics Express, 26(3), 2599-2612. doiI: 10.1364/OE.26.002599.

[16] Babinský, T., Kuběna, I., Šulák, I., Kruml, T., Tobiáš, J., & Polák, J. (2021). Surface relief evolution and fatigue crack initiation in René 41 superalloy cycled at room temperature. Materials Science and Engineering, 819, article number 141520. doi: 10.1016/j.msea.2021.141520.

[17] Bannikov, M.V., Naimark, O.B., & Oborin, V.A. (2016). Experimental investigation of crack initiation and propagation in high- and gigacycle fatigue in titanium alloys by study of morphology of fracture. Frattura ed Integrità Strutturale, 10(35), 50-56. doi: 10.3221/IGF-ESIS.35.06.

[18] Shittu, A.A., Kolios, A., & Mehmanparast, A. (2020). A systematic review of structural reliability methods for deformation and fatigue analysis of offshore jacket structures. Metals, 11(50), 1-37. doi: 10.3390/met11010050.

[19] ISO 25178-2:2021. Geometrical product specifications (GPS) – Surface texture: Areal – Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters. Retrieved from https:// www.iso.org/standard/74591.html.

[20] Ravanellia, R., Nascettia, А., Di Rita, M., Belloni, V., Mattei, D., Nisticò, N., & Crespi, M. (2017). A new digital image correlation software for displacements field measurement in structural applications. The international archives of the photogrammetry, remote sensing and spatial information sciences: FOSS4G-Europe 2017, 18 – 22 July 2017: Academic Track. - Marne La Vallée, France, XLII-4/W2, 139-145.

[21] Dodaran, M.S., Muhammad, M., Shamsaei, N., & Shao, S. (2022). Synergistic effect of microstructure and defects on the initiation of fatigue cracks in additively manufactured Inconel 718. International Journal of Fatigue, 162, article number 107002. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2022.107002.

[22] Fujimura, N., Nakamura, T., & Takahashi, K. (2018). Changing mechanisms of surface relief and the damage evaluation of low cycle fatigued austenitic stainless steel. MATEC Web of Conferences. 12th International Fatigue Congress (FATIGUE 2018), 165(2), 256-262. doi: 10.1051/matecconf/201816504007.

[23] Pysarenko, G., Voynalovich, O., & Mailo, A. (2018). Stochastic regularities in the non-contact determination of local strains in the surface layer of steel 45 under high-cycle loading. Mechanics and Advanced Technologies, 84(3), 39-44. doi: 10.20535/2521-1943.2018.84.136382.

[24] Torabian, N., Favier, V., Dirrenberger, J., Adamski, F., Ziaei-Rad, S., & Ranc, N. (2017). Correlation of the high and very high cycle fatigue response of ferrite based steels with strain rate-temperature conditions. Acta Materialia, 134, 40-52. doi: 10.1016/j.actamat.2017.05.064.

[25] Phung, N.L., Favier, V., Ranc, N., Valès, F., & Mughrabi, H. (2014). Very high cycle fatigue of copper: Evolution, morphology and locations of surface slip markings. International Journal of Fatigue, 63, 68-77. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2014.01.007.

[26] Polák, J., Mazánová, V., Heczko M., Petráš, R., Kuběna, I., Casalena, L., & Man, J. (2017). The role of extrusions and intrusions in fatigue crack initiation. Engineering Fracture Mechanics, 185, 46-60. doi: 10.1016/j.engfracmech.2017.03.006.

[27] ISO 25178-1:2016. Geometrical product specifications (GPS) – Surface texture: Areal – Part 1: Indication of surface texture. Retrieved from https://www.iso.org/standard/46065.html.

[28] Pysarenko, G., Voynalovich, O., & Mailo, A. (2020). Discrete properties of the inelasticity of steel and alloys based on Al and Ti under periodic deformation. Metallophysics and Advanced Technologies, 42(2), 261-279. doi: 10.15407/mfint.42.02.0261.

[29] Shanyavskiy, A., & Soldatenkov, A. (2022). Metallic materials fatigue behavior: Scale levels and ranges of transition between them. International Journal of Fatigue, 158, article number 106773. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2022.106773.

[30] Wei, Y., Liao, H., Xu, H., & Tang, J. (2022). Microstructure evolution and mechanical properties of martensite stainless steel during repetitive high stress loading-unloading with small plastic deformation. International Journal of Fatigue, 158, article number 106750. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2022.106750.

[31] Haghshenas, A., & Khonsari, M.M. (2018). Damage accumulation and crack initiation detection based on the evolution of surface roughness parameters. International Journal of Fatigue, 107, 130-144. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2017.10.009.

[32] Aulbach, L., Bloise, F., Lu, M., & Koch, A. (2017). Non-contact surface roughness measurement by implementation of a spatial light modulator. Sensors, 17(3), article number 596. doi: 10.3390/s17030596.

[33] Botvina, L., Tyutin, M., Sinev, I., & Bolotnikov, A. (2020). The effect of preliminary cyclic loading on acoustic emission parameters and damage of structural steels. Procedia Structural Integrity, 28, 2118-2125. doi: 10.1016/j.prostr.2020.11.038.