Оценка масштабных параметров металлов по данным усталостных испытаний образцов с поверхностными дефектами
- Авторы: Соляев Ю.О.1,2, Щербаков С.С.3, Голубкин К.С.2, Поляков П.О.2
-
Учреждения:
- Институт прикладной механики РАН
- Московский авиационный институт (НИУ)
- Белорусский государственный университет
- Выпуск: № 1 (2025)
- Страницы: 170-196
- Раздел: Статьи
- URL: https://archivog.com/1026-3519/article/view/680993
- DOI: https://doi.org/10.31857/S1026351925010098
- EDN: https://elibrary.ru/szwqal
- ID: 680993
Цитировать
Аннотация
Предложена методика идентификации масштабного параметра градиентной теории упругости на основе известных экспериментальных данных по влиянию размеров поверхностных коррозионных дефектов на параметры сопротивления усталости сталей и алюминиевых сплавов. Показана возможность естественного описания снижения коэффициента концентрации напряжений вблизи малоразмерных коррозионных дефектов, которые в данной работе моделируются в виде полуэллипсоидальных поверхностных полостей. Идентифицированные значения масштабных параметров лежат в диапазоне 20–230 мкм.
Полный текст

Об авторах
Ю. О. Соляев
Институт прикладной механики РАН; Московский авиационный институт (НИУ)
Автор, ответственный за переписку.
Email: yos@iam.ras.ru
Россия, Москва; Москва
С. С. Щербаков
Белорусский государственный университет
Email: sherbakovss@mail.ru
Белоруссия, Минск
К. С. Голубкин
Московский авиационный институт (НИУ)
Email: golubkink@mail.ru
Россия, Москва
П. О. Поляков
Московский авиационный институт (НИУ)
Email: p.o.polyakov@yandex.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Eubanks R.A. Stress concentration due to a hemispherical pit at a free surface // J. Appl. Mech. 1954. V. 21. № 1. P. 57–62. https://doi.org/10.1115/1.4010819
- Fujita T., Tsuchida E., Nakahara I. Stress concentration due to a hemi-prolate spheroidal pit at a free surface of a semi-infinite body under all-around tension // Bulletin of JSME. 1980. V. 23. № 181. P. 1048–1054. https://doi.org/10.1299/JSME1958.21.561
- Cerit M., Genel K., Eksi S. Numerical investigation on stress concentration of corrosion pit // Eng. Fail. Anal. 2009. V. 16. № 7. P. 2467–2472. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2009.04.004
- An L.S., Park Y.C., Kim H.K. A numerical study of the tensile stress concentration in a hemi-ellipsoidal corrosion pit on a plate // Int. J. Steel Struct. 2019. V. 19. P. 530–542. https://doi.org/10.1007/s13296-018-0134-7
- Capula-Colindres S. et al. Mechanical behavior of X60 pipelines containing pitting corrosion defects based on finite element method // Forces in Mechanics. 2024. V. 16. P. 100278. https://doi.org/10.1016/j.finmec.2024.100278
- Zerbst U. et al. Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. III: Cavities, dents, corrosion pits, scratches // Eng. Fail. Anal. 2019. V. 97. P. 759–776. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.01.034
- Katona R.M., Karasz E.K., Schaller R.F. A review of the governing factors in pit-to-crack transitions of metallic structures // Corrosion. 2023. V. 79. № 1. P. 72–96. https://doi.org/10.5006/4179
- Dolley, Lee, Wei. The effect of pitting corrosion on fatigue life // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2000. V. 23. № 7. P. 555–560. https://doi.org/10.1046/j.1460-2695.2000.00323.x
- Wang Q.Y., Pidaparti R.M., Palakal M.J. Comparative study of corrosion-fatigue in aircraft materials // AIAA J. 2001. V. 39. № 2. P. 325–330. https://doi.org/10.2514/2.1308
- Larrosa N.O., Akid R., Ainsworth R.A. Corrosion-fatigue: a review of damage tolerance models // Int. Mater. Rev. 2018. V. 63. № 5. P. 283–308. http://dx.doi.org/10.1080/09506608.2017.1375644
- Becker K. et al. The effect of surface degradation on fatigue and fracture behaviour // Materials & Design. 1993. V. 14. № 3. P. 175–182.
- Beltran‐Zuñiga M.A. et al. Effect of microstructure and crystallographic texture on the toughness anisotropy of API 5L X46 steel // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2018. V. 41. № 4. P. 749–761. https://doi.org/10.1111/ffe.12782
- Evans C., Leiva-Garcia R., Akid R. Strain evolution around corrosion pits under fatigue loading // Theor. Appl. Fract. Mech. 2018. V. 95. P. 253–260. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2018.02.015
- Rokhlin S.I. et al. Effect of pitting corrosion on fatigue crack initiation and fatigue life // Eng. Frac. Mech. 1999. V. 62. № 4–5. P. 425–444. https://doi.org/10.1016/S0013-7944(98)00101-5
- Sankaran K.K., Perez R., Jata K.V. Effects of pitting corrosion on the fatigue behavior of aluminum alloy 7075-T6: modeling and experimental studies // Mater. Sci. Eng. A. 2001. V. 297. № 1–2. P. 223–229. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)01216-8
- Mindlin R.D. Micro-structure in linear elasticity // Arch. Ration. Mech. Anal. 1964. V. 16. № 1. P. 51–78.
- Askes H., Aifantis E. C. Gradient elasticity in statics and dynamics: an overview of formulations, length scale identification procedures, finite element implementations and new results // Int. J. Solids Struct. 2011. V. 48. № 13. P. 1962–1990. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2011.03.006
- Askes H., Susmel L. Understanding cracked materials: is linear elastic fracture mechanics obsolete? // Fatigue Fract. Eng. Materials Structures. 2015. V. 38. № 2. P. 154–160. https://doi.org/10.1111/ffe.12183
- Razavi N. et al. Length scale parameters to estimate fatigue lifetime of 3D-printed titanium alloy Ti6Al4V containing notches in the as-manufactured condition // Int. J. Fatigue. 2023. V. 167. P. 107348. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107348
- Jadallah O. et al. Microstructural length scale parameters to model the high-cycle fatigue behaviour of notched plain concrete // Int. J. Fatigue. 2016. V. 82. P. 708–720. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.09.029
- Vasiliev V., Lurie S., Solyaev Y. New approach to failure of pre-cracked brittle materials based on regularized solutions of strain gradient elasticity // Eng. Fract. Mech. 2021. V. 258. P. 108080. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.108080
- Vasiliev V., Lurie S. On the failure analysis of cracked plates within the strain gradient elasticity in terms of the stress concentration // Procedia Structural Integrity. 2021. V. 32. P. 124–130. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.09.018
- Васильев В.В., Лурье С.А., Салов В.А. Исследование прочности пластин с трещинами на основе критерия максимальных напряжений в масштабно-зависимой обобщенной теории упругости // Физическая мезомеханика. 2018. Т. 21. № 4. С. 5–12. http://doi.org/10.24411/1683-805X-2018-14001
- Васильев В.В., Лурье С.А. Новый метод исследования прочности хрупких тел с трещинами // Деформация и разрушение материалов. 2019. № 9. С. 12–19. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2019-9-12-19
- Васильев В.В., Лурье С.А., Салов В.А. Определение нагрузки, вызывающей появление пластической деформации в растягиваемой пластине с трещиной // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 4. С. 43–49. https://doi.org/10.31857/S0572329920040133
- Васильев В.В., Лурье С.А. Новое решение плоской задачи о равновесной трещине // Изв. РАН. МТТ. 2016. № 5. С. 61–67.
- Solyaev Y. Self-consistent homogenization approach for polycrystals within second gradient elasticity // Mech. Res. Commun. 2023. V. 132. P. 104162. https://doi.org/10.48550/arXiv.2304.11074
- Solyaev Y. Self-consistent assessments for the effective properties of two-phase composites within strain gradient elasticity // Mech. Mater. 2022. V. 169. P. 104321. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2022.104321
- Gao X.L., Park S.K. Variational formulation of a simplified strain gradient elasticity theory and its application to a pressurized thick-walled cylinder problem // Int. J. Solids Struct. 2007. V. 44. № 22–23. P. 7486–7499. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2007.04.022
- Froiio F., Zervos A. Second-grade elasticity revisited // Math. Mech. Solids. 2019. V. 24. № 3. P. 748–777.
- Solyaev Y., Lurie S., Altenbach H., dell’Isola F. On the elastic wedge problem within simplified and incomplete strain gradient elasticity theories // Int. J. Solids Struct. 2022. V. 239–240. P. 111433. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2022.111433
- Lurie S., Solyaev Y. Variant of strain gradient elasticity with simplified formulation of traction boundary value problems // ZAMM Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. 2023. V. 103. № 12. P. e202300329. http://doi.org/10.1002/zamm.202300329
- Khakalo S., Niiranen J. Gradient-elastic stress analysis near cylindrical holes in a plane under bi-axial tension fields // Int. J. Solids Struct. 2017. V. 110–111. P. 351–366. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2016.10.025
- Georgiadis H.G., Gourgiotis P.A., Anagnostou D.S. The Boussinesq problem in dipolar gradient elasticity // Arch. Appl. Mech. 2014. V. 84. P. 1373–1391. https://doi.org/10.1007/s00419-014-0854-x
- Gourgiotis P.A., Sifnaiou M.D., Georgiadis H.G. The problem of sharp notch in microstructured solids governed by dipolar gradient elasticity // Int. J. Fract. 2010. V. 166. P. 179–201. https://doi.org/10.1007/s10704-010-9523-4
- Dell’Isola F. et al. Deformation of an elastic second gradient spherical body under equatorial line density of dead forces // Eur. J. Mech. A/Solids. 2024. V. 103. P. 105153. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2023.105153
- Solyaev Y., Lurie S., Korolenko V. Three-phase model of particulate composites in second gradient elasticity // Eur. J. Mech. A/Solids. 2019. V. 78. P. 103853. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2019.103853
- Andreaus U. et al. Numerical simulations of classical problems in two-dimensional (non) linear second gradient elasticity // Int. J. Eng. Sci. 2016. V. 108. P. 34–50. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2016.08.003
- Reiher J.C., Giorgio I., Bertram A. Finite-element analysis of polyhedra under point and line forces in second-strain gradient elasticity // J. Eng. Mech. 2017. V. 143. № 2. P. 04016112. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0001184
- Solyaev Y. Complete general solutions for equilibrium equations of isotropic strain gradient elasticity // J. Elast. 2024. V. 156. P. 107–124. https://doi.org/10.1007/s10659-023-10039-4
- Lurie S.A., Volkov-Bogorodskiy D.B., Belov P.A. On General Representations of Papkovich–Papkovich Solutions in Gradient Elasticity // Lobachevskii J. Math. 2023. V. 44. № 6. P. 2336–2351. https://doi.org/10.1134/S199508022306032X
- Fatoba O., Akid R. Uniaxial cyclic elasto-plastic deformation and fatigue failure of API-5L X65 steel under various loading conditions // Theor. Appl. Fract. Mech. 2018. V. 94. P. 147–159. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2018.01.015
- Васильев В.В., Лурье С.А., Салов В.А. Определение нагрузки, вызывающей появление пластической деформации в растягиваемой пластине с трещиной // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 4. С. 43–49. https://doi.org/10.31857/S0572329920040133
- Capula-Colindres S. et al. Determination of fracture toughness and KIC-CVN correlations for BM, HAZ, and WB in API 5L X60 pipeline // Arab. J. Sci. Eng. 2021. V. 46. № 8. P. 7461–7469. https://doi.org/10.1007/s13369-021-05451-8
- Sivaranjani T. et al. Fatigue life estimation of aircraft structural component using FE approach and validation through analytical and experimental methods // Materials Today: Proceedings. 2023. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.07.333
- Sayah Badkhor M. et al. Behavior Analysis of Cold Expanded-Bolt Clamped AL2024-T3 Plate // Int. J. ADV Manuf. Tech. 2017. V. 10. № 2. P. 1–13.
- Короленко В., Соляев Ю. О. Оценка уровня концентрации напряжений вблизи микро-размерных отверстий на основе упрощенных моделей градиентной теории упругости // Труды МАИ. 2021. № 121. С. 4. https://doi.org/10.34759/trd-2021-121-04
- Military Handbook, Metallic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures, Mil-HDBK-5G, United States Department of Defense, 1994.
- Gusev A.A., Lurie S. A. Symmetry conditions in strain gradient elasticity // Math. Mech. Solids. 2017. V. 22. № 4. P. 683–691. https://doi.org/10.1177/1081286515606960
- Lurie S.A. et al. Dilatation gradient elasticity theory // Eur. J. Mech. A/Solids. 2021. V. 88. P. 104258. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2021.104258
- Lurie S.A., Belov P.A., Solyaev Y.O. On possible reduction of gradient theories of elasticity // Sixty Shades of Generalized Continua. Advancer Structured Materials. 2023. V. 170. P. 479–498. https://doi.org/10.1007/978-3-031-26186-2_30
- Lurie S., Belov P., Solyaev Y. On an extended family of quasi-equivalent models of the gradient elasticity theory // Theoretical Analyses, Computations, and Experiments of Multiscale Materials. Advancer Structured Materials. 2022. V. 175. P. 155–182. https://doi.org/10.1007/978-3-031-04548-6_9
Дополнительные файлы
