Preview

Frontier Materials & Technologies

Расширенный поиск

Моделирование влияния поверхностных дефектов на поведение алюминиевого сплава в условиях циклических нагрузок

https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-1-7-14

Полный текст:

Аннотация

Алюминий и его сплавы, в частности сплав Al–Si–Mg, широко применяются в различных областях промышленности и техники благодаря своим механическим свойствам. При этом дефекты, образующиеся в процессе литья, оказывают пагубное воздействие на поведение рассматриваемого сплава в условиях циклических нагрузок. Поэтому актуальны исследования, направленные на изучение влияния поверхностных дефектов на усталостную прочность материала. В статье представлено численное исследование, основанное на методе конечных элементов, целью которого является оценка влияния взаимодействия дефектов сложной формы на напряжение исследуемого образца алюминиевого сплава Al–Si–Mg. Построенная модель сложного дефекта состоит из основного дефекта полусферической формы и вторичного дефекта на дне основного. Поведение материала при циклических нагрузках описывается моделью Шабоша. Численное решение построено в пакете ANSYS Workbench. Было выдвинуто предположение, что рассматриваемую сложную комбинацию дефектов возможно аппроксимировать эквивалентным упрощенным дефектом. Показано, что максимальные значения напряжения Мизеса для дефектов сложной формы достигаются на месте стыка вторичного дефекта с основным. В случае эквивалентного дефекта максимальные значения наблюдаются на дне дефекта и по краям. Проведена сравнительная оценка погрешности, полученной с использованием эквивалентного дефекта, и случаев трех дефектов сложной формы и трех дефектов полусферической формы без дополнительного (вторичного) повреждения. Данная оценка показала, что при сложной форме дефектов модель эквивалентного дефекта дает погрешность в 14,5 %, что на 6,5 % больше, чем в случае полусферических дефектов без вторичных повреждений на дне.

Об авторах

Лиана Алмазовна Алмазова
Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург
Россия

студент



Ольга Сергеевна Седова
Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург
Россия

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры вычислительных методов механики деформируемого тела



Список литературы

1. Murakami Y. Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. Chennai: Academic Press, 2019. 734 p. DOI: 10.1016/C2016-0-05272-5.

2. Leitner M., Murakami Y., Farajian M., Remes H., Stoschka M. Fatigue Strength Assessment of Welded Mild Steel Joints Containing Bulk Imperfections // Metals. 2018. Vol. 8. № 5. Article number 306. DOI: 10.3390/met8050306.

3. Mu P., Nadot Y., Serrano-Munoz I., Chabod A. Influence of complex defect on cast AS7G06-T6 under multiaxial fatigue loading // Engineering Fracture Mechanics. 2014. Vol. 123. P. 148–162. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2014.02.012.

4. Cerit M., Genel K., Eksi S. Numerical investigation on stress concentration of corrosion pit // Engineering failure analysis. 2009. Vol. 16. № 7. P. 2467–2472. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2009.04.004.

5. Zhao W., Huang Y.F., Ye X.B., Hu B.R., Liu J.Z., Chen L.J. Correlation between the Geometric Parameters of Corrosion Pit and Stress Concentration Factor // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 327. P. 156–160. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.327.156.

6. Genel K., Demirkol M., Gülmez T. Corrosion fatigue behaviour of ion nitrided AISI 4140 steel // Materials Science and Engineering A. 2000. Vol. 288. № 1. P. 91–100. DOI: 10.1016/S0921-5093(00)00835-2.

7. Cerit M. Corrosion pit-induced stress concentration in spherical pressure vessel // Thin-Walled Structures. 2019. Vol. 136. P. 106–112. DOI: 10.1016/j.tws.2018.12.014.

8. Митенков Ф.М., Волков И.А., Игумнов Л.А., Каплиенко А.В., Коротких Ю.Г., Панов В.А. Прикладная теория пластичности. М.: Физматлит, 2015. 282 с.

9. Волков И.А., Игумнов Л.А., Коротких Ю.Г. Прикладная теория вязкопластичности. Н. Новгород: Нижнегородский университет имени Н.И. Лобачевского, 2015. 318 с.

10. Бондарь В.С., Даншин В.В., Кандратенко А.А. Вариант теории термовязкопластичности // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2016. № 1. С. 39–56. DOI: 10.15593/perm.mech/2016.1.03.

11. Chaboche J.L. A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories // International Journal of Plasticity. 2008. Vol. 24. № 10. P. 1642–1692. DOI: 10.1016/j.ijplas.2008.03.009.

12. Chaboche J.L., Kanouté P., Azzouz F. Cyclic inelastic constitutive equations and their impact on the fatigue life predictions // International Journal of Plasticity. 2012. Vol. 35. P. 44–66. DOI: 10.1016/j.ijplas.2012.01.010.

13. Бондарь В.С., Абашев Д.Р. Некоторые особенности процессов монотонных и циклических нагружений. Эксперимент и моделирование // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. № 2. С. 25–34. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.2.03.

14. Горохов В.А. Развитие модели пластичности с комбинированным упрочнением для исследования процессов деформирования конструкционных материалов при различных режимах малоцикловых нагружений // Проблемы прочности и пластичности. 2018. Т. 80. № 2. С. 180–193. DOI: 10.32326/1814-9146-2018-80-2-180-193.

15. Седова О.С., Хакназарова Л.А. Расчет напряжений в толстостенном сферическом элементе с наружной выемкой // Процессы управления и устойчивость. 2014. Т. 1. № 1. С. 212–217. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-68-73.

16. Vakaeva A.B., Krasnitckii S.A., Smirnov A.M., Grekov M.A., Gutkin M.Y. Stress concentration and distribution at triple junction pores of three-fold symmetry in ceramics // Reviews on Advanced Materials Science. 2018. Vol. 57. № 1. P. 63–71. DOI: 10.1515/rams-2018-0048.

17. Вакаева А.Б., Греков М.А. Напряженно-деформированное состояние упругого тела с почти круговым отверстием при учете поверхностного напряжения // Процессы управления и устойчивость. 2015. Т. 2. № 1. С. 125–130.

18. Åman M., Berntsson K., Marquis G. An efficient stress intensity factor evaluation method for interacting arbitrary shaped 3D cracks // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2020. Vol. 109. Article number 102767. DOI: 10.1016/j.tafmec.2020.102767.

19. Okulova D.D., Sedova O.S., Pronina Y.G. The Effect of Surface Defects Interaction on the Strength of a Pressurised Spherical Shell // Procedia Structural Integrity. 2021. Vol. 33. № C. P. 1055–1064. DOI: 10.1016/j.prostr.2021.10.117.

20. Ben Ahmed A., Houria M.I., Fathallah R., Sidhom H. The effect of interacting defects on the HCF behavior of Al-Si-Mg aluminum alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 779. P. 618–629. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.11.282.

21. Yamashita Y., Murakami T., Mihara R., Okada M., Murakami Y. Defect analysis and fatigue design basis for Ni‐based Superalloy 718 manufactured by selective laser melting // International Journal of Fatigue. 2018. Vol. 117. P. 485–495. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.08.002.

22. Beretta S., Romano S. A comparison of fatigue strength sensitivity to defects for materials manufactured by AM or traditional processes // International Journal of Fatigue. 2017. Vol. 94. P. 178–191. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2016.06.020.

23. Le V.D., Saintier N., Morel F., Bellett D., Osmond P. Investigation of the effect of porosity on the high cycle fatigue behaviour of cast Al-Si alloy by X-ray micro-tomography // International Journal of Fatigue. 2018. Vol. 106. P. 24–37. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.09.012.

24. Ben Ahmed A., Nasr A., Bahloul A., Fathallah R. The impact of defect morphology, defect size, and SDAS on the HCF response of A356-T6 alloy // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. Vol. 92. № 1. P. 1113–1125. DOI: 10.1007/s00170-017-0192-6.

25. Serrano-Munoz I., Buffiere J.Y., Mokso R., Verdu C., Nadot Y. Location, location & size: defects close to surfaces dominate fatigue crack initiation // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. Article number 45239. DOI: 10.1038/srep45239.

26. Luetje M., Wicke M., Bacaicoa I., Brueckner-Foit A., Geisert A., Fehlbier M. 3D characterization of fatigue damage mechanisms in a cast aluminum alloy using X-ray tomography // International Journal of Fatigue. 2017. Vol. 103. P. 363–370. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.06.020.


Рецензия

Для цитирования:


Алмазова Л.А., Седова О.С. Моделирование влияния поверхностных дефектов на поведение алюминиевого сплава в условиях циклических нагрузок. Frontier Materials & Technologies. 2022;(1):7-14. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-1-7-14

For citation:


Almazova L.A., Sedova O.S. Simulation of the surface defects influence on the aluminum alloy behaviour under the cyclic load conditions. Frontier Materials & Technologies. 2022;(1):7-14. (In Russ.) https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-1-7-14

Просмотров: 245


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2782-4039 (Print)
ISSN 2782-6074 (Online)