Изменение параметра акустической анизотропии конструкционной стали при усталостном разрушении
Опубликовано: 24.11.2021
Авторы: Сергеева О.А., Гончар А.В.
Опубликовано в выпуске: #11(119)/2021
DOI: 10.18698/2308-6033-2021-11-2125
Раздел: Механика | Рубрика: Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
Повреждения материала оказывают влияние на его микроструктуру, физические и акустические свойства. В настоящей работе рассмотрены микроструктурные и ультразвуковые исследования стали Ст3сп5 при циклическом одноосном растяжении—сжатии в области малоцикловой усталости. Усталостные испытания проводились поэтапно. На каждом этапе циклического деформирования исследовалась структура образцов из стали ультразвуковым эхо-методом и определялось изменение параметра акустической анизотропии. Установлена взаимосвязь между акустическими характеристиками материала и степенью его поврежденности, на основе которой можно спрогнозировать остаточный ресурс. Данный способ определения остаточного ресурса отличается тем, что не требуется определять длину акустического пути, например, толщину стенки исследуемого объекта. Рассмотрено влияние амплитуды деформации цикла на скорость изменения параметра акустической анизотропии. Установлена прямая линейная зависимость между изменением этого параметра и относительным количеством циклов. Предложен алгоритм определения остаточного ресурса материала на основе данных, полученных ультразвуковым методом.
Литература
[1] Wisner B., Mazur K., Kontsos A. The use of nondestructive evaluation methods in fatigue: A review. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 2020, vol. 43, pp. 859–878.
[2] Suh C.M., Yuuki R., Kitagawa H. Fatigue microcracks in low carbon steel. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 1985, vol. 8, pp. 193–203.
[3] Chen E.Y., Sauer S., Meshii M., Tucker W.T. Fatigue microcrack distributions and the reliability of a nickel base superalloy. Int. J. Fatigue, 1997, vol. 19, pp. 75–82.
[4] Lindstedt U., Karlsson B., Nystr M. Small fatigue cracks in an austenitic stainless steel. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 1998, vol. 21, pp. 85–98.
[5] Besel M., Brueckner-Foit A. Surface damage evolution of engineering steel. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 2008, vol. 31, pp. 885–891.
[6] Kabatova M., Dudrova E., Wronski As. Microcrack nucleation, growth, coalescence and propagation in the fatigue failure of a powder metallurgy steel. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 2009, vol. 32, pp. 214–222.
[7] Pan S., Yu G., He X., Li S., Zhang Y., Li Q. Collective evolution of surface microcrack for compacted graphite iron under thermal fatigue with variable amplitude. Int. J. Fatigue, 2019, vol. 118, pp. 139–149.
[8] Mishakin V.V., Klyushnikov V.A., Gonchar A.V., Kachanov M. On assessing damage in austenitic steel based on combination of the acoustic and eddy current monitoring. Int. J. Eng. Sci., 2019, vol. 135, pp. 17–22.
[9] Cantrell J.H., Yost W.T. Nonlinear ultrasonic characterization of fatigue microstructures. Int. J. Fatigue, 2001, vol. 23, pp. 487–490.
[10] Gupta S., Ray A., Keller E. Online fatigue damage monitoring by ultrasonic measurements: A symbolic dynamics approach. Int. J. Fatigue, 2007, vol. 29, pp. 1100–1114.
[11] Straka L., Yagodzinskyy Y., Landa M., Hänninen H. Detection of structural damage of aluminum alloy 6082 using elastic wave modulation spectroscopy. NDT E. Int., 2008, vol. 41, pp. 554–563.
[12] Mishakin V.V., Mitenkov F.M., Klyushnikov V.A., Danilova N. The use of ultrasonic signals and optical method to estimate the damage of materials after fatigue loading. Nondestruct. Test Eval., 2010, vol. 25, pp. 279–288.
[13] Mishakin V., Klyushnikov V., Gonchar A., Kachanov M. Estimating fatigue damage of austenitic steel by combining the ultrasonic with eddy current monitoring. J. Nondestruct. Eval., 2019, vol. 38, p. 4.
[14] Mishakin V., Gonchar A., Kurashkin K., Kachanov M. Prediction of fatigue life of metastable austenitic steel by a combination of acoustic and eddy current data. Int. J. Fatigue, 2020, vol. 141, art. no. 105846.
[15] Mishakin V.V., Naumov M.Y., Mishakin S.V., Kassina N.V. Development of an acoustic method for assessing the damage to metal alloys before formation of a macrocrack. Russ. J. Nondestruct. Test., 2007, vol. 43, pp. 677–682.
[16] Kowalewski Zl., Mackiewicz S., Szelążek J., Pietrzak K., Augustyniak B. Evaluation of damage in steels subjected to exploitation loading - destructive and non-destructive methods. Int. J. Mod. Phys. B., 2008, vol. 22, pp. 5533–5538.
[17] Szelążek J., Mackiewicz S., Kowalewski Zl. New samples with artificial voids for ultrasonic investigation of material damage due to creep. NDT E. Int., 2009, vol. 42, pp. 150–156.
[18] Mishakin V.V., Klyushnikov V.A., Kassina N.V. Research on the fracture process of steels by the acoustic method and the pitch net method. J. Mach. Manuf. Reliab., 2009, vol. 38, pp.443–447.
[19] Belyaev A.K., Lobachev A.M., Modestov V.S., et al. Estimating the plastic strain with the use of acoustic anisotropy. Mech. Solids, 2016, vol. 51, pp. 606–611.
[20] Kurashkin K.V., Gonchar A.V. Variation of acoustic characteristics of an aluminum alloy during plastic deformation at room and subzero temperatures. In: AIP Conf. Proc., 2018, vol. 2053 (1), art. no. 030030. DOI: 10.1063/1.5084391
[21] Makowska K., Piotrowski L., Kowalewski Z.L. Prediction of the mechanical properties of P91 steel by means of magneto-acoustic emission and acoustic birefringence. J. Nondestruct. Eval., 2017, vol. 36, p. 43.
[22] Krysztofik J., Kukla D., Manaj W., Socha G. Evaluation of damage degree of inconel 718 alloy with the use of non-destructive methods. Russ. J. Nondestruct. Test, 2019, vol. 55, pp. 299–307.
[23] Tretyakov D., Belyaev A., Shaposhnikov N. Acoustic anisotropy and localization of plastic deformation in aluminum alloys. Mater. Today Proc., 2020, vol. 30, pp. 413–416.
[24] Mishakin V.V., Gonchar A.V., Kirikov S.V., Klyushnikov V.A. Evaluation of condition of low-carbon steels experiencing plastic deformation using the effect of acoustic birefringence. Nondestruct. Test Eval., 2021, vol. 36, pp. 225–235.
[25] Kurashkin K.V. Study of the acoustoelastic effect in an anisotropic plastically deformed material. Acoust. Phys., 2019, vol. 65, pp. 316–321.
[26] Hirao M., Pao Y.H. Dependence of acoustoelastic birefringence on plastic strains in a beam. J. Acoust. Soc. Am., 1985, vol. 77, pp. 1659–1664.
[27] Pao Y.H., Wu T.T., Gamer U. Acoustoelastic birefringences in plastically deformed solids: Part I — Theory. J. Appl. Mech., 1991, vol. 58, pp. 11–17.
[28] Belyaev A.K., Polyanskiy V.A., Semenov A.S., Tretyakov D.A., Yakovlev Y.A. Investigation of the correlation between acoustic anisotropy, damage and measures of the stress-strain state. Procedia Struct. Int., 2017, vol. 6, pp. 201–207.