Исследование остаточных деформаций в трещине в результате ее повторяющегося нагружения в упругопластической области

Abstract

В несущих конструкциях трещины в большинстве случаев относятся к категории недопустимых дефектов, особенно при динамических и циклических нагрузках. Показано, что повторяющаяся упругопластическая деформация (ПУПД) стальных пластин и труб с трещиной может приводить к возникновению в вершине трещины остаточных сжимающих напряжений, уменьшающих концентрацию напряжений и вероятность раскрытия трещины при приложении к ней растягивающих напряжений. Изложены результаты экспериментального и расчетного исследования влияния ПУПД на изменение остаточных напряжений в области трещины. Экспериментальное исследование выполнено на пластинах из малоуглеродистой низколегированной стали С345 200×30×5,5 мм с поверхностными односторонними микротрещинами раскрытием 3 и 5 мкм, радиусами закругления в вершине трещины 1,5 и 2,5 мкм соответственно, глубиной около 1 мм и длиной соответственно 16 и 18 мм, полученными по специальной технологии электрохимической обработкой. На машине Instron образцы периодически нагружались и после каждого нагружения разгружались. Кинетику деформации металла в области трещин непрерывно отслеживали с помощью тензорезисторов с базой 1 мм, наклеенных в области трещины и на основной металл. Выходы тензорезисторов подключались к разработанной в Институте прикладной физики НАН Беларуси многоканальной многофункциональной тензостанции. Расчетное моделирование выполнялось методом конечных элементов. Экспериментально и расчетным путем показано, что повторяющееся нагружение мате- риала с односторонней трещиной до напряжений вблизи предела пропорциональности для основного металла может приводить к возникновению в вершине трещины и в основном металле остаточных сжимающих напряжений. Это происходит за счет того, что при нагружении в вершине и на краях трещины возникают зоны текучести, в которых после разгрузки возникают остаточные сжимающие напряжения. Разгрузка приводит к тому, что основной металл сжимает трещину, создавая в корне остаточные напряжения сжатия. При оптимизации режимов прочность материала с трещиной может приближаться к прочности материала без трещины. Предлагаемый метод моделирования поведения металла в зоне трещины может быть использован для расчетного определения оптимальных режимов, наиболее легко реализуемых при испытаниях тонкостенных трубопроводов.

In load-carrying structures a crack belongs to the category of inadmissible defects, particularly under dynamic and cyclic loads. It is shown that recurrent elasto-plastic deformations (REPD) of steel plates and pipes with a crack may lead to initiation in the crack tip of residual compressive stresses, reducing the stress concentration and the probability of crack opening at application of tensile stresses to it. Results of experimental and calculation-based investigations of REPD influence on the change of residual stresses in the vicinity of the crack are described. Experimental investigations were performed on plates from low-carbon steel S345 200x30x5.5 mm with surface one-sided microcracks with 3 and 5 ~m opening, rounding-off radii in the crack tip of 1.5 and 2.5 ~m, depth of about 1 mm and length of 16 and 18 mm, respectively, made by the special technology of electrochemical treatment. In Instron machine the samples were periodically and unloaded after each loading. Kinetics of metal deformation in the vicinity of the crack was traced continuously using strain gauges with 1 mm base, pasted in the vicinity of the crack and on the base metal. Strain gauge outputs were connected to multichannel multifunctional tensostation developed at the Institute of Applied Physics of the NAS of Belarus. Calculation modeling was performed by finite element method. It was proved experimentally and by calculations that recurrent loading of the material with a one-sided crack up to stresses close to proportionality limit for the base metal, can induce residual compressive stresses in the crack tip and in the base metal. It occurs due to appearance of yield zones in the crack tip and on its edges at loading, where residual compressive stresses develop after unloading. Unloading leads to base metal compressing the crack, thus inducing residual compressive stresses in the root. At mode optimization, the strength of material with a crack can be close to that of material without a crack. The proposed method of modeling metal behaviour in the crack zone can be used for calculation of optimum modes, the most readily implemented at testing of thin-walled pipelines.