Особливості росту втомних тріщин у псевдопружному NіTі сплаві

Abstract

Проаналізовано кінетичні особливості росту втомної тріщини у псевдопружному NiTi сплаві за асиметрії циклу навантаження R = 0,2 та 0,5. Опір росту втомної тріщини визначали на циліндричних зразках діаметром 8 мм з одностороннім сегментоподібним надрізом у діаметральному їх перерізі на глибину 0,6 мм за температури 20 °С на повітрі. Використовуючи електрогідравлічну випробувальну установку СТМ-100, попереднім навантаженням зразків триточковим згином в них вирощували втомну тріщину від надрізу, а саму кінетику росту втомної тріщини визначали на циліндричному зразку з однією боковою тріщиною за одновісного розтягу і частотою навантаження 25 Гц. Приріст довжини тріщини на поверхні зразка визначали за допомогою бінокулярного мікроскопа, який давав можливість визначати її приріст з точністю, не меншою 0,02 мм. Для підрахунку довжини тріщини у найглибшій точці фронту використовували лінійну інтерполяцію коефіцієнта форми початкової і кінцевої тріщини. Саме за цим значенням у найглибшій точці фронту тріщини після певної кількості циклів навантаження визначали швидкість росту тріщини. Встановлено, що на відміну від усталених концепцій механіки втомного руйнування механічною рушійною силою утомного росту тріщини, яка однозначно описує кінетику руйнування незалежно від асиметрії циклу навантаження, виступає не розмах, а максимальне значення коефіцієнта інтенсивності напружень. Згідно з мікрофрактографічними дослідженнями головний механізм поширення тріщини пов'язаний з крихким руйнуванням елементів мартенситної структури сплаву, а звідси деформаційне аустенітно-мартенситне перетворення у вершині тріщини відповідальне за її кінетику. Інтенсивність такого перетворення визначається скоріше рівнем напружень, а не їх розмахом, що і визначає механічну рушійну силу втомного росту тріщини.

There have been analyzed the peculiarities of fatigue crack growth in pseudoelastic NiTi alloy at stress ratios R = 0,2 and 0,5. The fatigue crack growth resistance was determined on cylindrical specimens with a diameter of 8 mm with a unilateral segmental notch to a depth of 0,6 mm in their diametrical cross section at a temperature of 20°C in air. Using the servohydraulic testing machine STM-100, the specimens were preloaded by three-point bending in order to grow a fatigue crack from the notch, and the fatigue crack growth kinetics was determined on a cylindrical specimen with one lateral crack under uniaxial tension at a frequency of 25 Hz. The length of crack on the specimen surface was determined using the binocular microscope with the precision not less than 0,02 mm. To calculate the crack depth b in the deepest point of the crack front, the crack shape b/a of the initial and final cracks was determined using the linear interpolation. The fatigue crack growth rate was determined using this value in the deepest point of the crack front after certain number of loading cycles. It was found out that, unlike the traditional concepts of fracture mechanics, the mechanical driving force of fatigue crack growth, that unambiguously describes the failure kinetics despite of R is not the stress range, but a maximal value of stress intensity factor. According to the microfractographic studies, the main mechanism of crack propagation is connected with the brittle failure of martensite alloy structure elements. Therefore, the strain austenite–martensite transformation at the crack tip is responsible for its kinetics. The intensity of such transformation is determined mostly by the stress levels, and not by its range, that determines the mechanical driving force of fatigue crack growth.

Проанализированы кинетические особенности роста усталостной трещины в сплаве нитинол с коэффициен- том асимметрии цикла нагружения R = 0,2 и 0,5. Сопротивление роста усталостной трещины определяли на цилиндрических образцах диаметром 8 мм с односторонним сегментообразним надрезом в диаметральном их сечении на глубину 0,6 мм при температуре 20 °С на воздухе. Используя электрогидравлическую испытатель- ную установку СТМ-100, предварительной нагрузкой образцов трехточечным изгибом выращивали усталост- ную трещину от надреза, а саму кинетику роста усталостной трещины определяли на цилиндрическом образце с одной боковой трещиной при одноосном растяжении и частотой нагрузки 25 Гц. Прирост длины трещины на поверхности образца определяли с помощью бинокулярного микроскопа, который дает возможность опреде- лять ее прирост с точностью, не менее 0,02 мм. Для подсчета длины трещины в самой глубокой точке фронта использовали линейную интерполяцию коэффициента формы начальной и конечной трещины. Именно по этому значению в самой глубокой точке ее фронта трещины после определенного количества циклов нагрузки опре- деляли скорость роста трещины. Установлено, что, в отличие от устоявшейся концепции механики усталост- ного разрушения, механической движущей силой усталостного роста трещины, которая однозначно описывает кинетику разрушения независимо от асимметрии цикла нагрузки, является не размах, а максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений. Согласно с микрофрактографическими исследованиями главный меха- низм распространения трещины связан с хрупким разрушением элементов мартенситной структуры сплава, а следовательно деформационное аустенитно-мартенситное превращение в вершине трещины является ответ- ственным за ее кинетику. Интенсивность такого преобразования определяется скорее уровнем напряжений, а не их размахом, что и определяет механическую движущую силу усталостного роста трещины.