1147

Рис. 10. Распределение температуры на поверхности образца в вершине трещины для различных моментов времени

Форма зоны пластической деформации в вершине трещи-

ны. Анализ данных, представленных на рис. 10, позволяет визуализировать зону пластической деформации в вершине трещины и сравнить её форму с предсказаниями линейной механики разруше-

ния (8), (9).

24

На рис. 11 показаны распределения температуры в вершине усталостной трещины при квазистатическом растяжении (рис. 11, а) и при циклическом деформировании (рис 11, б).

Рис. 11. Распределения температуры в вершине усталостной трещины, вызванные пластической деформацией при квазистатическом растяжении (а), при циклическом деформировании (б)

Анализ результатов позволяет сделать предварительный вывод о том, что распределения температуры на первом цикле деформирования и на последующих циклах существенно отличаются. При этом формы зоны интенсивного тепловыделения (пластической деформации) в вершине усталостной трещины не соответствуют моделям Мизеса (8) и Треска–Сен-Венана (9).

Выводы

В работе получены соотношения, описывающие изменение температуры на поверхности образца и в вершине усталостной трещины в процессе одноосного циклического деформирования с учётом линейного и нелинейного термоупругого эффекта. Исследование процессов изменения температуры при циклическом деформировании в титановом сплаве ВТ6 на гладких образцах показало, что обратимое изменение температуры при упругом деформировании может достигать половины градуса Кельвина. Процесс генерации старших гармоник в зависимости температуры от времени не описывается в рамках линейного термоупругого эффекта. Экспериментально наблюдаемые вторые гармоники были описаны с использованием предположения о слабой зависимости упругих свойств материала от температуры.

25

В результате исследования термопластического эффекта показано, что процесс тепловыделения в вершине усталостной трещины носит существенно нелинейный характер. Использование метода инфракрасной термографии позволяет исследовать процессы, связанные как с локализацией пластической деформации в вершине трещины, так и с трением на её берегах. Продолжение данных исследований позволяет детально исследовать эффект закрытия трещины при циклическом деформировании.

На данном этапе исследований экспериментально показано, что зона пластической деформации не совпадает с предсказаниями линейной механики разрушения, а максимум тепловыделения достигается на нисходящей ветви нагружения.

Благодарности

Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ 11- 01-00153-а, 11-01-96005-р_урал_а.

Библиографический список

1.Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. – Уфа, 2003. – 803 с.

2.Вавилов В.П. Динамическая тепловая томография (обзор) // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2006. – Т. 72, № 3. – C. 26–36.

3.Luong M.P. Infrared thermographics scanning of fatigue in metals // Nuclear Engineering and Design. – 1995. – No. 158. – P. 363–376.

4.Fatigue crack initiation and growth in a 35CrMo4 steel investigated by

infrared thermography / O. Plekhov, T. Palin-Luc, O. Naimark, S. Uvarov, N. Saintier // Fatigue and fracture of engineering materials and structures. – 2005. – Vol. 28, Is. 1. – P. 169–178.

5.Theoretical analysis, infrared and structural investigation of energy dissipation in metals under quasi-static and cyclic loading / O. Plekhov, N. Saintier, T. Palin-Luc, S. Uvarov and O. Naimark // Material Science and Engineering A. – 2007. – Vol. 462, Nо. 1. – P. 367–370.

6.A thermodynamic internal variable model for the partition of plastic

7.Oliferuk W., Maj M., Raniecki B. Experimental analysis of energy storage rate components during tensile deformation of polycrystals // Materials Science and Engineering A. – 2004. – Vol. 374. – P.77–81.

8.Плехов О.А., N.Santier, Наймарк О.Б. Экспериментальное исследование накопления и диссипации энергии при упруго пластиче-

ском переходе // ЖТФ. – 2007 – Т. 77, вып. 9. – С. 1236–1238.

9.Плехов О.А., Наймарк О.Б. Теоретическое и экспериментальное исследование диссипации энергии в процессе локализации дефор-

мации в железе // ПМТФ. – 2009. – Т. 50, вып. 1. – С. 153–164.

10.Исследование особенностей диссипации и накопления энергии в нанокристаллическом титане при квазистатическом и динамическом нагружении / О.А. Плехов, В.В. Чудинов, В.А. Леонтьев, О.Б. Наймарк // Вычислительная механика сплошных сред. – 2008. – Т. 1, №4. – С. 69–78.

11.Application of infrared thermography to study crack growth and fatigue life extension procedures / R. Jones, M. Krishnapillai, K. Cairns, N. Matthews // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structure. – 2010. – Vol. 33. – P. 871–884.

Получено 15.05.2011

27

УДК 699.83

Р.В. Гольдштейн, В.П. Епифанов

Институт проблем механики им. А.Ю.Ишлинского РАН, Москва

КИЗМЕРЕНИЮ АДГЕЗИИ ЛЬДА

КДРУГИМ МАТЕРИАЛАМ

Исследуется адгезионная прочность ледяной корки, намороженной на поверхность элемента конструкций, в зависимости от условий на границе контакта, включая соотношение сдвиговых и нормальных напряжений, а также влияние бокового стеснения, геометрии поверхности и антиадгезионного покрытия. Соответственно задаче исследования предложены методики и устройства для измерения адгезии льда к другим материалам, в частности на цилиндрических образцах, в условиях комбинированного сдвига (вдоль оси образца и в окружном направлении). Показано, что наличие даже малого сдвига в окружном направлении резко снижает адгезионное сопротивление по отношению к осевому сдвигу. Исследована адгезия льда к реальному конструкционному элементу токонесущего кабеля с антиадгезионным покрытием и без покрытия. Сделаны выводы о практическом применении полученных результатов.

Ключевые слова: адгезия льда к твердым телам; методы измерения и устройства; нормальные и сдвиговые напряжения; адгезионная прочность; боковое стеснение, ледяная корка.

Введение

Функционирование машин, конструкций и сооружений при низких температурах нередко сопровождается их обледенением, которое может приводить к возникновению аварийных и катастрофических ситуаций. Обрывы линий электропередач, недопустимые подвижки опор мостов через реки и ледостойких платформ, потеря хода судами и ледоколами, аварийные ситуации и нерасчетные режимы на аппаратах аэрокосмической техники часто являются следствием намерзания льда. По мере освоения районов с экстремальным климатом возрастает актуальность проблем борьбы с обледенением. Среди разнообразных способов снижения адгезии льда к различным поверхностям элементов конструкций весьма эффективными во многих случаях оказываются ледофобные покрытия. Помимо снижения адгезии покрытия могут замедлить процесс намораживания льда и уменьшить его количество.

Важные аспекты проблемы борьбы с обледенением – оценка адгезионной прочности границ лед–материал иной природы, исследование механизмов адгезии льда, разработка технических решений по ее снижению, а также оценка эффективности этих решений.

28

Ввиду важности указанной проблемы довольно большое внимание уделялось в последние десятилетия экспериментальным исследованиям адгезии льда к поверхностям различных, главным образом конструкционных, материалов [1–5]. Предложен ряд схем проведения испытаний по измерению адгезии льда. В большинстве случаев адгезию льда определяют в испытаниях, в которых осуществляется сдвиг по границе лед–конструкционный материал посредством нагружения либо самого льда, либо образца конструкционного материала, на котором предварительно наморожен лед (см., например [2]). В отдельных случаях измерение адгезии проводилось в условиях кручения образца относительно намороженного льда [1]. В частности, в работе [2] исследована сравнительная эффективность четырех различных покрытий для снижения адгезии льда.

Учитывая, что в большинстве материалов и соединений условия прочности и адгезионной прочности при комбинированных нагрузках отличаются от условий, соответствующих какому-то одному виду нагружения, представляется важным разработка методики и ее аппаратной реализации для измерения адгезии льда к конструкционным материалам, в частности в условиях комбинированного сдвига. Такая методика предложена в настоящей работе.

Необходимость в подобных испытаниях возникает, например, при изучении адгезии льда к токонесущим кабелям воздушных линий электропередач. Кабели имеют сложную криволинейную поверхность, образованную винтовой укладкой отдельных проводов кабеля. В результате при действии сдвиговой нагрузки вдоль оси кабеля возникает и крутящий момент, т.е. на поверхности лед–кабель действует сложный сдвиг (комбинация продольного и поперечного сдвига).

1.Методики экспериментальных исследований

иустройства для их реализации

Объект исследований. Исследуется адгезионная прочность ледяной корки, намороженной на поверхность элемента конструкций, в зависимости от условий на границе контакта, включая соотношение сдвиговых и нормальных напряжений, а также влияние бокового стеснения, геометрии поверхности и антиадгезионного покрытия. Соответственно задаче исследования разработаны методы определения адгезионной прочности льда к металлическим поверхностям конструкцион-

29