ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-1-20-29ntv-58Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGСравнение результатов применения двух спекловых методов изучения многоцикловой усталости конструкционной сталиComparison of application results of two speckle methods for study multi-cycle fatigue of structural steelhttps://orcid.org/0000-0001-6343-9772ВладимировА. П.VladimirovA. P.

Владимиров Александр Петрович — доктор технических наук, старший научный сотрудник, старший научный сотрудник

 Екатеринбург, 620049

sc 56204831400

Alexandr P. Vladimirov — D.Sc., Senior Researcher

Ekaterinburg, 620049

sc 56204831400

vap52@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0775-4043КаманцевИ. С.KamantsevI. S.

Каманцев Иван Сергеевич — кандидат технических наук, заведующий сектором, старший научный сотрудник

 Екатеринбург, 620049

sc 36696097700

Ivan S. Kamantsev — PhD, Head of Sector, Senior Researcher

sc 36696097700

ks@imach.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5979-7398ДрукаренкоН. А.DrukarenkoN. A.

Друкаренко Никита Александрович — младший научный сотрудник

Екатеринбург, 620049

 sc 57200041012

Nikita A. Drukarenko — Junior Researcher

Ekaterinburg, 620049

sc 57200041012

targosk@ya.ruhttps://orcid.org/0009-0002-0411-1712МызновК. Е.MyznovK. E.

Мызнов Константин Евгеньевич — младший научный сотрудник

Екатеринбург, 620108 

Konstantin E. Myznov — Junior Researcher

 Ekaterinburg, 620108

myznov@imp.uran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5636-9857НаумовК. В.NaumovK. V.

Наумов Константин Вячеславович — студент

Екатеринбург, 620002

Konstantin V. Naumov — Student

 Ekaterinburg, 620002

knaumov98@mail.ruИнститут машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Metal Physics, Ural Branch of Russian Academy of SciencesRussian FederationУральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the First President of Russia B.N.YeltsinRussian Federation2024111220242412029Copyright © Владимиров А.П., Каманцев И.С., Друкаренко Н.А., Мызнов К.Е., Наумов К.В., 20242024Владимиров А.П., Каманцев И.С., Друкаренко Н.А., Мызнов К.Е., Наумов К.В.Vladimirov A.P., Kamantsev I.S., Drukarenko N.A., Myznov K.E., Naumov K.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/58

Введение. Новым методом усредненных во времени спекловых изображений и известным ранее методом интерференции двух спекл-полей изучено развитие пластических деформаций, возникающих при многоцикловой усталости конструкционной стали. Выполнена оценка корректности определения деформаций новым методом путем сравнения данных, полученных двумя методами. Метод. Исследованы две оптические системы, в которых применены лазерные модули с разными длинами волн. Предложенная оптическая система позволяет определять компоненты Δuy, Δuz вектора относительного перемещения двух точек поверхности, расположенных на расстоянии (базе измерения) Δs = 66 мкм. Известная схема дает возможность описать деформации традиционным методом на базе измерения 470 мкм. Исследуемый образец представлял собой плоскую пластину с двумя боковыми вырезами, выполненную из стали марки 09Г2С. Испытания на усталость проводились на установке резонансного типа при разных амплитудах цикла. Основные результаты. Показано, что при всех амплитудах цикла развитие пластических деформаций происходит по механизму циклической ползучести. Существует хорошая корреляция данных, полученных двумя разными спекловыми методами. Вместе с тем деформация, оцененная новым методом, в ряде случаев на порядок превышает значение деформации, рассчитанной известным методом. Очевидно, это связано с существованием локальных малоразмерных (порядка 101 мкм) участков деформации, измерение которых традиционными методами невозможно. Рассчитанная новым методом предельная растягивающая деформация Δuy/ Δs имеет порядок 10–1, что совпадает с аналогичной деформацией, возникающей при испытании стандартных образцов на разрыв. Обсуждение. Результаты, полученные новым методом, обосновывают необходимость разработки датчиков и приборов неразрушающего контроля нового поколения, позволяющих по скорости изменения физических величин и по их предельным значениям оценивать время до зарождения усталостной трещины.

The new method of time-averaged speckle images and the well-known method of speckle-field interference studied the development of plastic deformations occurring during multicycle fatigue of structural steel. The correctness of strain determination by the new method is evaluated by comparing the data obtained by the two methods. Two optical systems including laser modules with different wavelengths were investigated. The proposed optical system allows to determine the components Δuy, Δuz of the relative displacement vector of two surface points located at a distance (measurement base) Δs = 66 μm. The known scheme makes it possible to describe deformations by the traditional method on the base of 470 μm. The object of study was a flat specimen made of 09Г2С steel with two side notches. Fatigue tests were carried out on a resonance-type machine at different cycle amplitudes. It is shown that at all cycle amplitudes the development of plastic deformations occurs by the mechanism of cyclic creep. There is a good correlation between the data obtained by two different speckle methods. At the same time, the strain estimated by the new method is in some cases an order of magnitude higher than the strain calculated by the known method. Obviously, this is due to the existence of local small[1]sized (of the order of 101 µm) strain areas which cannot be measured by conventional methods. The ultimate tensile strain Δuy/Δs calculated by the new method is of the order of 10–1, which coincides with the similar strain occurring in tensile testing of standard specimens. The results obtained by the new method justify the need of developing sensors and nondestructive testing devices of a new generation, allowing to estimate the time to fatigue crack initiation by the rate of change of physical quantities and by their limit values.

многоцикловая усталостьстальразрушениеспеклыинтерференциясвободное пространствоизображениеhigh-cycle fatiguesteeldestructionspecklesinterferencefree spaceimageРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по темам № АААА-А18-118020790148-1 и «Диагностика» № 122021000030-1. При выполнении работы было использовано оборудование Центра коллективного пользования «Пластометрия» при Институте машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук.The research was carried out within the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under the topic no. АААА-18-118020790148-1 and “Diagnostics” no. 122021000030-1. The equipment of the Collective Center “Plastometria” at Institute of Engineering Science of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences was used for this work.ReferencesВладимиров А.П. Динамическая спекл-интерферометрия микроскопических и макроскопических процессов в деформируемых средах // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2015. № 6. С. 27–57. https://doi.org/10.17804/2410-9908.2015.6.027-057Vladimirov A.P. Dynamic speckle interferometry of microscopic and macroscopic processes in deformable media. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures, 2015, no. 6, pp. 27–57. (in Russian). https://doi.org/10.17804/2410-9908.2015.6.027-057Новиков И.И., Ермишкин В.А. Физическая механика реальных материалов. М.: Наука, 2004. 328 с.Novikov I.I., Ermishkin V.A. Physical Mechanics of Real Materials. Moscow, Nauka Publ., 2004, 328 p. (in Russian)Горкунов Э.С., Саврай Р.А., Макаров А.В., Задворкин С.М. Магнитные методы оценки упругой и пластической деформации при циклическом нагружении сталей // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2015. № 2. С. 6–15. https://doi.org/10.17804/2410-9908.2015.2.006-015Gorkunov E.S., Savrai R.A., Makarov A.V., Zadvorkin S.M. Magnetic techniques for estimating elastic and plastic strains in steels under cyclic loading. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures, 2015, no. 2, pp. 6–15. (in Russian). https://doi.org/10.17804/2410-9908.2015.2.006-015Горкунов Э.С., Поволоцкая А.М., Задворкин С.М., Путилова Е.А., Мушников А.Н., Базулин Е.Г., Вопилкин А.Х. Особенности поведения магнитных и акустических характеристик горячекатаной стали 08Г2Б при циклическом нагружении // Дефектоскопия. 2019. № 11. С. 21–31. https://doi.org/10.1134/S0130308219110034Gorkunov E.S., Povolotskaya A.M., Zadvorkin S.M., Putilova E.A., Mushnikov A.N., Bazulin E.G., Vopilkin A.K. Some features in the behavior of magnetic and acoustic characteristics of hot-rolled 08G2B steel under cyclic loading. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2019, vol. 55, no. 11, pp. 827–836. https://doi.org/10.1134/S1061830919110044Vladimirov A.P. Speckle metrology of dynamic macro- and microprocesses in deformable media // Optical Engineering. 2016. V. 55. N 12. P. 121727. https://doi.org/10.1117/1.OE.55.12.121727Vladimirov A.P. Speckle metrology of dynamic macro- and microprocesses in deformable media. Optical Engineering, 2016, vol. 55, no. 12, pp. 121727. https://doi.org/10.1117/1.OE.55.12.121727Vladimirov A.P. Dynamic speckle interferometry of high-cycle material fatigue: Theory and some experiments // AIP Conference Proceedings. 2016. V. 1740. P. 040004. https://doi.org/10.1063/1.4952663Vladimirov A.P. Dynamic speckle interferometry of high-cycle material fatigue: Theory and some experiments. AIP Conference Proceedings, 2016, vol. 1740, pp. 040004. https://doi.org/10.1063/1.4952663Владимиров А.П., Друкаренко Н.А, Мызнов К.Е. Использование спекловых изображений для определения локальных пластических деформаций, возникающих при многоцикловой усталости стали 09Г2С // Письма в Журнал технической физики. 2021. Т. 47. № 15. С. 35–38. https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.15.51232.18752Vladimirov A.P., Drukarenko N.A., Myznov K.E. Using speckle images for determining the local plastic strains arising at high-cycle fatigue of 09G2S steel. Technical Physics Letters, 2021, vol. 47, no. 11, pp. 777–780. https://doi.org/10.1134/S1063785021080137Владимиров А.П. Динамическая спекл-интерферометрия деформируемых тел. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 240 с.Vladimirov A.P. Dynamic Speckle Interferometry of Deformable Bodies. Yekaterinburg, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2004, 240 p. (in Russian)Владимиров А.П., Друкаренко Н.А., Михайленко Ю.А. Спеклдиагностика необратимых процессов, протекающих в некоторых живых и технических объектах // Оптические методы исследования потоков: Труды XVI Международной научно-технической конференции, 28 июня — 02 июля 2021. М.: Издательство «Перо», 2021. С. 51–62 [Электронный ресурс]. URL: https://omficonf.ru/omfi2021/OMFI-2021-Proceedings.pdf (дата обращения: 14.12.2022).Vladimirov A.P. Drukarenko N.A., Mikhailenko Yu.A. Speckle-diagnostics of irreversible processes occurring in some living and technical objects. Proc. of the International Conference Optical Methods of Flow Investigation (OMFI 2021) 28 June – 2 July 2021. Available at: https://omfi-conf.ru/omfi2021/OMFI-2021-Proceedings. pdf (accessed: 14.12.2022). (in Russian)Vladimirov A.P. Speckle tomography of the living-cell functions // Radiophysics and Quantum Electronics. 2021. V. 63. N 8. P. 592–604. https://doi.org/10.1007/s11141-021-10082-yVladimirov A.P. Speckle tomography of the living-cell functions. Radiophysics and Quantum Electronics, 2021, vol. 63, no. 8, pp. 592– 604. https://doi.org/10.1007/s11141-021-10082-yVladimirov A.P. Dynamic speckle-interferometry of microscopic processes in thin biological objects // Radiophysics and Quantum Electronics. 2015. V. 57. N 8-9. P. 564–576. https://doi.org/10.1007/s11141-015-9540-2Vladimirov A.P. Dynamic speckle-interferometry of microscopic processes in thin biological objects. Radiophysics and Quantum Electronics, 2015, vol. 57, no. 8-9, pp. 564–576. https://doi.org/10.1007/s11141-015-9540-2Владимиров А.П., Поносов Ю.С. Применение динамики спеклов и комбинационного рассеяния света для изучения особенностей разрушения трубной стали при многоцикловой усталости // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2018. № 3. С. 138–146. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2018.3.13Vladimirov A.P., Ponosov Yu.S. Application of speckle dynamics and Raman light scattering to study the fracture features of pipe steel at high-cycle fatigue. PNRPU Mechanics Bulletin, 2018, no. 3, pp. 138– 146. (in Russian). https://doi.org/10.15593/perm.mech/2018.3.13Трощенко В.Т. Усталость и неупругость металлов. Киев: Наукова думка, 1971. 268 с.Troshchenko V.T. Fatigue and Inelasticity of Metals. Kiev, Naukova dumka Publ., 1971, 268 p. (in Russian)Coffin L.F. Symposium on Internal Stress and Fatigue of Metals. Elsevier, 1959. 451 p.Coffin L.F. Symposium on Internal Stress and Fatigue of Metals. Elsevier, 1959, 451 p.Klesnil M., Lukác P. Fatigue of Metallic Materials. Elsevier, 1992. 270 p.Klesnil M., Lukác P. Fatigue of Metallic Materials. Elsevier, 1992, 270 p.Гаф Г.Дж. Усталость металлов / пер. с англ. М., Л.: Гл. ред. лит. по черн. металлургии, 1935. 304 с.Gough H.J. The Fatigue of Metals. E. Benn, 1926, 304 p.Ботвина Л.Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов: учебник. М.: Наука, 1989. 230 с.Botvina L.R. Fracture Kinetics of Structural Materials. Moscow, Nauka Publ., 1989, 230 p. (in Russian)Голуб В.П. Исследования в области циклической ползучести материалов (обзор) // Прикладная механика. 1987. Т. 23. № 12. С. 3–19.Golub V.P. Investigations into cyclic creep of materials (review). Soviet Applied Mechanics, 1987, vol. 23, no. 12, pp. 1107–1121. https://doi.org/10.1007/BF00884887

The authors declare that there are no conflicts of interest present.