Общие закономерности и критерии разрушения твердых тел на разных масштабно-структурных уровнях при длительном нагружении (обобщающая статья)

Экспериментально-теоретические исследования закономерностей развития разрушения при монотонном и переменных нагружениях, в частности стресс-коррозионных разрушений, позволили выделить основные масштабно-структурные уровни стадийного процесса развития хрупкого (формирование полосовой структуры, образование микротрещин, зарождение микроструктурно коротких нераспространяющихся трещин, образование коротких распространяющихся трещин, слияния коротких трещин с зарождением макротрещин) и вязкого (развитие дислокаций в полосах скольжения и образование ячеистой структуры, формирование ямочного рельефа с микропорами, слияние пор с образованием мезополос сдвига и зарождением вязкой трещины, развитие вязкой трещины при неупругом деформировании) разрушений кристаллических тел. Смена уровней определяется изменением механизмов развития разрушения и происходит с разной степенью вероятности. Обоснована необходимость рассмотрения разрушения как иерархического случайного процесса последовательного прохождения всех масштабно-структурных уровней. Разрушение пластических материалов рассматривается как сумма таких независимых или зависимых событий, как зарождение и развитие хрупких трещин и эволюция пор по различным механизмам. Достижение предельных состояний определяется статистикой распределения неоднородностей во всем объеме тела. На основе результатов физических исследований (методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и др.) определяются геометрия и плотность дефектов, дислокаций, пор, трещин на разных уровнях. Методами механических испытаний находятся макрохарактеристики статической, длительной и усталостной прочности. Методами неразрушающего контроля (ультразвуковой анализ, акустико-эмиссионный анализ, магнитная дефектоскопия и др.) устанавливаются закономерности развития разрушения в натурных конструкциях. Представлен краткий аналитический обзор основных известных физических подходов — структурно-дислокационных и структурно-энергетических теорий, континуальных дислокационных теорий, дилатонно-фрустронных моделей, стохастических физических теорий, а также феноменологических подходов, включающих континуальные теории поврежденности и механику разрушения. Анализ приводит к необходимости описания процесса разрушения в рамках стохастических многоуровневых моделей. Рассмотрен подход, согласно которому вероятность достижения предельных состояний каждого уровня при произвольном многоосном нагружении определяется линейными функционалами процесса нагружения, ядра которых являются случайными функциями времени. Для простых пропорциональных нагружений представлена теория хрупкого усталостного масштабно-структурного разрушения.

1. Разрушение / Под ред. Г. Либовица. — М.: Мир, 1973. Т. 1. — 620 с.; 1975. Т. 2. — 763 с.; 1976. Т. 3. — 406 с.; 1977. Т. 4. — 399 с.

2. Атомный механизм разрушения / Материалы Межд. конф. по вопросам разрушения. 12 апреля 1959 г. Свомпскотт (США). — М.: ГНТИ литературы по черной и цветной металлургии, 1963. — 660 с.

3. Иванова В. С. Разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1979. — 168 с.

4. Ботвина Л. Р. Разрушение. Кинетика, механизмы, общие закономерности. — М.: Наука, 2008. — 334 с.

5. Махутов Н. А. Комплексные исследования процессов разрушения материалов и конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 11. С. 46 – 51. DOI: 10. 26896/1028-6861-2018-84-11-46-51

6. Глезер А. М., Козлов Э. В., Конева Н. А., Попова Н. А., Курзина И. А. Основы пластической деформации наноструктурных материалов. — М.: Физматлит, 2016. — 379 с.

7. Шанявский А. А., Никитин А. Д., Palin-Luck T. Сверхмногоцикловая усталость алюминиевого сплава Д16Т / Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. № 3. C. 43 – 53. DOI: 10.24411/1683-805X-2020-13005

8. Takehiro I., Takahashi K. Prediction of Fatigue Limit of Spring Steel Considering Surface Defect Size and Stress Ratio / Metals. 2021. Vol. 11. P. 483. DOI: 10.3390/met11030483

9. Botvina L. R., Tyutin M. R., Budueva V. G., Alekseev G. G. Degradation of the Mechanical Properties of an AlMg6M Alloy during Long-Term Operation / Russian Metallurgy. 2020. Vol. 2020. N 5. P. 521 – 528. DOI: 10.1134/S0036029520050055

10. Yankin A. S., Wildemann V. E., Belonogov N. S., Staroverov O. A. Influence of static mean stresses on the fatigue behavior of 2024 aluminum alloy under multiaxial loading / Frattura ed Integrita Strutturale. 2020. N 51. P. 151 – 163. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.51.12

11. Проблемы прочности, техногенной безопасности и конструкционного материаловедения / Под ред. Н. А. Махутова, Ю. Г. Матвиенко, А. Н. Романова. — М.: Ленанд, 2018. — 720 с.

12. Jeddi D., Palin-Luc T. A review about the effects of structural and operational factors on the gigacycle fatigue of steels / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2018. N 41. P. 969 – 990. DOI: 10.1111/ffe.12779

13. Терентьев В. Ф., Кораблева С. А. Усталость металлов. — М.: Наука, 2015. — 480 с.

14. Завойчинский Б. И. Долговечность магистральных и технологических трубопроводов (теория, методы расчета, проектирование). — М.: Недра, 1992. — 271 с.

15. Zavoychinskaya E. A Stochastic Theory of Scale-Structural Fatigue and Structure Durability at Operational Loading / Understanding complex systems. Springer Nature Switzerland AG. 2021. P. 71 – 89. DOI: 10.1007/978-3-030-50302-4

16. Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие. В 4-х т. / Под ред. В. В. Панасюка. — Киев: Наукова Думка, 1988. Т. 1. — 488 с.; 1988. Т. 2. — 620 с.; 1988. Т. 3. — 436 с.; 1990. Т. 4. — 680 с.

17. Прочность материалов и конструкций / Под ред. В. Т. Трощенко и др. — Киев: Академпериодика, 2005. — 1088 с.

18. Murakami Y. Metal fatigue: effects of small defects and nonmetallic inclusions. — Oxford: Elsevier, 2019. — 735 p.

19. Неразрушающий контроль: Справочник в 7 т. / Под ред. В. В. Клюева. — М.: Машиностроение, 2003 – 2005.

20. Завойчинская Э. Б. О много- и гигацикловом разрушении металлов и сплавов при одноосном нагружении / Проблемы прочности, пластичности и устойчивости в механике деформируемого твердого тела: Матер. IX Международного науч. симпозиума, посвященного 90-летию со дня рождения профессора В. Г. Зубчанинова (Тверь, 16 – 17 декабря 2020 года). — Тверь: Изд-во Тверского гос. ун-та. 2021. С. 37 – 42.

21. Хижняков В. И. Сопротивление материалов. Коррозионное растрескивание. — М.: Юрайт, 2016. — 262 с.

22. Cheng Y. F. Stress corrosion of pipelines. — John Wiley & Sons Publishing, 2013. — 257 p.

23. Овчинников И. И. Исследование поведения оболочечных конструкций, эксплуатируемых в средах, вызывающих коррозионное растрескивание / Интернет-журнал «Науковедение». 2012. № 4. С. 1 – 29.

24. Волегов П. С., Грибов Д. С., Трусов П. В. Поврежденность и разрушение: классические континуальные теории / Физическая мезомеханика. 2015. Т. 18. № 4. С. 68 – 86.

25. Qinghua Meng, Zhenqing Wang. Creep damage models and their applications for crack growth analysis in pipes: A review / Eng. Fract. Mech. 2019. Vol. 205 Р. 547 – 576. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2015.09.055

26. Локощенко А. М., Фомин Л. В., Терауд В. В., Басалов В. В., Агабабян В. С. Ползучесть и длительная прочность металлов при нестационарных сложных напряженных состояниях (обзор) / Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2020. Т. 24. № 2. С. 275 – 318. DOI: 10.14498/vsgtu1765

27. Zavoychinskaya E. B. On the Theory of Scale Structural Fatigue of Metals at the Proportional Loading / Journal of Physics. 2020. Vol. 1431. P. 012024 – 012032. DOI: 10.1088/1742-6596/1431/1/012024

28. Завойчинская Э. Б. О теории поэтапного усталостного разрушения металлом при сложном напряженном состоянии / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2018. № 1. С. 76 – 85. DOI: 10.3103/S1052618818010156

29. Пестриков В. М., Морозов Е. М. Механика разрушения. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2012. — 552 с.

30. Завойчинская Э. Б. О методе оценки ресурса лопаточного аппарата газотурбинного двигателя при асимметричном циклическом нагружении центробежными и аэродинамическими силами / Математическое моделирование и численные методы. 2020. № 1(25). С. 45 – 63. DOI: 10.18698/2309-3684-2020-1-4563

31. Завойчинская Э. Б. Моделирование много- и гигацикловой усталости материалов рабочих лопаток газотурбинных двигателей при осевом нагружении с несимметричным циклом / Современные методы и технологии создания и обработки металлов. — Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2021. Т. 2. С. 105 – 116.

32. Завойчинская Э. Б. Масштабная иерархия процессов много- и гигацикловой усталости титановых и никелевых сплавов при нагружениях с асимметричным циклом / Материалы XXVII Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А. Г. Горшкова. Т. 2. — М.: ООО «ТРП», 2021. С. 117 – 127.

33. Zavoychinskaya E. B. On high- and Hygacycle Fatigue of Metals and Alloys at Axial Loading / 20th Int. Colloquium on Mech. Fat. of Metals. — Wroclaw: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroclawskiej, 2021. P. 30 – 31.