Прогнозирование и управление процессом распространения усталостных трещин в металлах
Автор: Олег Анатольевич Плехов
Организация: Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь
Рис.1 Процесс LSP и характерный профиль создаваемых остаточных напряжений в титановых сплавах.
Несмотря на многолетнее изучение явления усталости металлов до настоящего времени этот процесс остаётся непредсказуемым и может приводить к крупным техногенным катастрофам и значительным экономическим потерям. Одной из ключевых проблем прогнозирования усталостного разрушения и продления эксплуатационного ресурса является описание кинетики усталостных трещин. Обобщение большого объёма экспериментальных данных и построение ряда эмпирических соотношений позволило разработать достаточно надёжные инженерные методы контроля текущего состояния конструкций, но не устранило необходимость введения достаточно больших коэффициентов запаса для обеспечения безопасной эксплуатации.
На протяжении длительного времени в Институте механики сплошных сред УрО РАН (ИМСС УрО РАН) разрабатывались энергетические подходы к прогнозированию скорости распространения усталостных трещин. Использование метода инфракрасной термографии позволило детально исследовать особенности пластического деформирования в вершине трещины и предложить оригинальные соотношения для прогнозирования скорости её распространения в условиях одноосного и многоосного нагружения.
С практической точки зрения наиболее важным является вопрос управления процессами зарождения и распространения усталостных трещин. Одним из эффективных методов управления этими процессами является создание остаточных сжимающих напряжений. Лазерная ударная проковка (LSP) позволят создавать значительные остаточные сжимающие напряжения в металлах на глубину более 1 миллиметра. Во время процесса LSP металлическая поверхность обрабатываемой детали подвергается воздействию наносекундных высокоэнергетических лазерных импульсов, которые индуцируют в ней упругопластические волны. Распространение упругопластических волн в материале обрабатываемой детали приводит пластическому деформированию поверхностного слоя и, как следствие, возникновению благоприятных остаточных напряжений с амплитудой до -1 ГПа.
На рисунке 1 представлены созданная в ИМСС УрО РАН экспериментальные установка для реализации LSP и характерный профиль создаваемых остаточных напряжений в титановых сплавах.
В докладе будут представлены результаты теоретического и экспериментального исследования влияние LSP на формирование остаточных напряжений. В рамках реализации теоретического описания эффекта решены нескольких связанных физическо-механических задач: испарение материала (образование плазменного факела), распространение упругопластической волны в материале с характерной длительностью в несколько десятков наносекунд, расчёт самоуравновешенного поля остаточных напряжений в образце, вызванного пластически деформированным поверхностным слоем, моделирование влияния остаточных напряжений поля на процессы зарождения и распространения усталостных трещин.
