Фізико­Х імічнА

ISSN 0430-6252

МЕхАнікА МАтЕРіАлів

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г. В. КАРПЕНКА

ФІЗИКО-ХІМІЧНА

МЕХАНІКА МАТЕРІАЛІВ Міжнародний науково-технічний журнал

Заснований у січні 1965 року Виходить 6 разів у рік

ТОМ 48, N2 4, 2012 липень - серпень

ЗМІСТ

Саврук М. П .. Казберук А .. Тарасюк f Концентрація наnружень біля отворів у nружній nлощині за антиnлоскої деформації ....................................................................... 5

Осташ О. П., Вольдемарав О. В., Гладиш П. В. Циклічна тріщиностійкість сталей

тривало ексnлуатованих згинів nарогонів ............................................................................. 14 Голинський І. С. Вnлив nохибок визначення наnружень в околі вершини тріщини

на точність обчислення коефіцієнтів ряду Вільямса за nоnеречного зсуву ....................... 25 Острик В. І .. Улітко А. Ф. Осесиметричний контакт двох nружних тіл

за тертя та зчеnлення ............................................................................................................... ЗО Стащук М. Г., Дорош М І. Розрахунок великогабаритних nоліетиленових труб

з nорожнистою стінкою ........................................................................................................... 39 Когут І. С. Вnлив дефектів структури на конструкційне демnфування

однонаnравлено армованих волокнистих комnозитів .......................................................... 46 Косаревич Р. Я., Студент О. З., Свірська Л. М., Русин Б. П., Никифорчин Г. М.

Комn'ютерний аналіз характерних елементів фрактографічних зображень ...................... 53 Матвіїв Ю. Я. Довготривала міцність тонкостінних елементів конструкцій

з тріщинами низькотемnературної nовзучості ...................................................................... 61 Скальський В. Р .. Назарчук З. Т .. Гірний С. І. Вnлив електролітично nоглиненого

водню на модуль Юнга конструкційної сталі ........................................................................ 68 Копилець В. І. Комn'ютерне моделювання вnливу кисневих адсорбційних центрів

цеоліту на хемосорбцію іонів водню ..................................................................................... 76 Коноваqенко І. В., Марущак П. О. Автоматизований аналіз множинного

розтріскування наноnокриву за інтегральними nараметрами .............................................. 80 Ко.7 М .. Кір Д.. Ерісір Е. Зношування штамnів з нанесеними методом PVD

AICrN nокривамн ..................................................................................................................... 89 Букетов А. В .. Краєненький В. М. Вnлив дисnерсності наnовнювача

на адгезій ну міцність та залишкові наnруження в еnоксикомnозитах ................................ 95 Басараба Ю. Б., Засадний Т. М., Луцишин Т. І. Отримання nорошків феромагнетних

сnлавів водневим дисnергуванням в ультразвуковому nолі .............................................. 104 Пічугін А. Т.. Яськів О. І., Лук'яненко О. Г., Погрелюк І. М Вnлив термо-

дифузійних nокривів на механічні властивості титанового сnлаву ВТ 14 ........................ ІІІ Мордюк Б. М, Карасєвська О. П.. Рудой П. Е .. Скиба І. О .. Камінський Г. Г.

Вnлив ультразвукових коливань на фазове nеретворення і деформаційне

зміцнення сnлаву Zri8Nb за розтягу .................................................................................... 118 Бойчишин Л. М, Герцик О. М, Кавбуз М. О .. Переверзєва Т. Г., Komyp Б. Я.

Властивості аморфних сnлавів систем АІ-РЗМ-Nі та AI-PЗM-Ni-Fe

з нанокристалічною фазою .................................................................................................... 127

У НАУКОВИХ КОЛАХ

Панасюк В. В. Академік М. Я. Леонов- до !ОО-річчя від дня народження ............................... ІЗ І

ЮВІЛЕЇ І д ( бо . . ) ТЕРНОПіЛЬСЬКИЙ ІЗS гор митрах до -рІччя вщ дня народження ·····················НАЦtО"НА"ЛЬ"ftІІ"ІЙ""ТЕХНІЧНй"й

УНІВеРСИТЕТ ІМЕНі ІВАНА ПУ:lЮЯ .НАУКОВО-ТЕХНІЧНА __ БІБЛІОТЕКА ----...J

Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2012. - N2 4. - Physicochemical Mechanics of Materials

УДК 670.191.33

АВТОМАТИЗОВАНИЙ АНАЛІЗ МНОЖИННОГО РОЗТРІСКУВАННЯ НАНОПОКРИВУ ЗА ІНТЕГРАЛЬНИМИ ПАРАМЕТРАМИ

І. В. КОНОВАЛЕНКО, П. О. МАРУЩАК

Тернопільський національний технічний університет ім. Івана Пулюя

Ідентифіковано та кількісно проаналізовано мережі тріщин у цирконієвому нано­

покриві на основі оброблення цифрових зображень. Поведінку дефектів оцінено за

результатами діагностування окремих етапів деформаційного процесу. Встановлено,

що окремим стадіям руйнування покриву відповідають свої інтегральні параметри

зображення. На основі послідовної обробки даних поверхневого множинного роз­

тріскування виявлено основні закономірності коалесценції окремих дефектів та

фрагментації покриву. Встановлено, що множинні дефекти в матеріалі частково

збільшують його деформаційні властивості, спричиняючи "поглинання" енергії

пружно-пластичних деформацій прилеглих ділянок. Подано теоретичні передумови

і експериментальні результати.

Ключові слова: множинне розтріскування, аналіз зображення, ідентифікація трі­

щин, діагностування.

Множинні дефекти -один з найпоширеніших видів пошкодження матеріалів

та конструкцій. Їх ідентифікація та кількісний опис дають змогу прогнозувати тех­нічний стан системи з урахуванням тріщиноподібних дефектів [1, 2]. На сьогодні відомо низка підходів для оцінювання напружено-деформованого стану матеріа­

лів з сіткою тріщиноподібних дефектів із урахуванням їх форми та просторового

розташування [3, 4]. Проте, щоб описати взаємовплив дефектів та виявити резуль­тати їх взаємодій під час деформування необхідні подальші дослідження [5].

Підходи фізичної мезомеханіки дали змогу розглянути деформаційні проце­

си на кількох структурно-ієрархічних рівнях, що достовірніше відображає будову

реальних фізико-механічних систем [6, 7]. Тобто застосування фізичних законо­мірностей є підrрунтям структурного підходу, визначальною особливістю якого є

стадійність деформування з урахуванням зовнішніх та внутрішніх структурних

параметрів матеріалу [8, 9]. Проте для матеріалів з множинними тріщиноподіб­ними дефектами використання цих підходів вимагає додаткового методичного

доопрацювання. Сучасні підходи до аналізу цілісності покривів rрунтуються пе­

реважно на морфологічних особливостях множинних дефектів [9, 10]. При цьому основною методичною перевагою є автоматичний опис та ідентифікація. Наслід­

ком цього є впорядкований масив даних про структурні складові або дефекти ма­

теріалу [ 11, 12]. Системність вказаного підходу полягає у спробі аналізу за двома структуроутворювальними ознаками - розмірами структурних елементів і їх

просторовою орієнтацією.

Узагальнюючи опис деформаційних процесів у покриві, можна відзначити

такі закономірності [2, 13, 14]: зародже!іНЯ та активація тріщиноподібних розло­мів відбувається за перевищення локальними напруженнями номінальних напру­

жень у матеріалі; старт тріщини в системі з кількома дефектами можливий за

умови локалізації деформацій у районі дефекту з найбільш енергетично вигідною

орієнтацією.

Контактна особа: П. О. МАРУЩАК, e-mail: maruschak.tu.edu@gmail.com

80

Мета роботи - оцінити закономірності множинного розтріскування цирконі­

євого покриву під час квазістатичного деформування, використовуючи методи

обробки зображень.

Метод нанесення покриву. Іонне наноструктурування поверхневого шару

зразків з сталі 25Х1М1Ф проводили за допомогою вакуумно-дугового джерела

металевих іонів на установці УВН-0,2 "Квант" [15]. Зразки обробляли за умови досягнення вакууму в камері 3·10-3 Ра потоком іонів цирконія з енергією 0,9 ... 2,8 ke V та густиною іонного струму О, 1 ... 0,3 mA/sm2. Тривалість обробки від 5 до 20 min. Тримач зі зразками закріплювали безпосередньо на предметному столику, що входив до схеми прискорення іонів. Іони прискорювались у динамічному са­

моорганізованому приповерхневому просторі, який є подвійним електричним ша­

ром, сформованим навколо поверхні зразка з від'ємним потенціалом [16]. Зразки досліджували на малоциклову втому на випробувальній машині СТМ-100 за та­

ких параметрів навантажування: частота!= 1,0 Hz, crmax = 500 МРа, crmin = O,lcrmax·

Досягнувши певного циклічного напрацювання, зразки знімали з випробувальної

машини та досліджували поверхню за допомогою сканівного мікроскопа РЕМ-1 ОбИ.

Класифікація виду поверхні розтріскування. Виділяють декілька етапів

множинного розтріскування, а саме: розпорошене розтріскування, яке виникає в

результаті зародження відокремлених поперечних та поздовжніх тріщин; об'єд­

нання тріщин з утворенням мережі внаслідок перетину окремих дефектів; блочне

розтріскування, що виникає внаслідок коалесценції низки об'єднаних тріщин, ут­

ворюючи повністю відокремлені блоки матеріалу, обмежені розвинутою мере­

жею дефектів, які формують великі замкнуті контури прямокутної форми. Аліга­

торські тріщини- це мережа об'єднаних тріщин, що мають спільні точки перети­ну та формують мережу багатокутників [9]. Схематизацію тріщин за їх напрямом та загальним малюнком ілюструє рис. 1.

Щоб автоматизувати класифікацію трі-

щин, використали метод аналізу зображень.

Вихідне багатоградаційне фотозображення до­

слідного зразка обробляють відповідно до

алгоритму пошуку та розпізнавання пошко­

джених фрагментів. В результаті отримано бі­

нарне зображення з локалізованими ділянками

тріщин. Після цього його аналізують від­повідно до методики інтегральної оцінки по­

верхні та класифікації тріщин.

Алгоритм ідентифікації положення трі­

щин на поверхні нанопокриву. Щоб ідентифі­

кувати тріщини на фотозображенні дослідного

зразка, використали алгоритм, що містить опе­

рації нормалізації зображення, фільтрування,

бінаризації, скелетизації та визначення поло­

ження тріщин [17]. Вихідним для аналізу є сіре багатоградаційне зображення досліджуваного

зразка G, отримане на виході цифрової камери. Нормалізація зображення є підготовчою

операцією, що полягає у вирівнюванні освітле­

ності і дає змогу зменшити вплив нерівномір-

ності освітлення досліджуваної зони нанопо-

4 2 3

3 2 4

Рис. 1. Схема визначення напрямків поширення тріщини

[9]: поздовжні (1), поперечні (2), блочні (1 та 2) і алігаторські

(З та 4) тріщини.

Fig. 1. The procedure for deter­mining directions of crack

propagation [9]: longitudinal (1), transverse (2); block (1 and 2) and alligator (З and 4) cracks.

криву на подальшу роботу алгоритму. Ця операція має два етапи: формування

загальної картини освітленості шляхом низькочастотного фільтрування та вида­

лення з початкового зображення низькочастотної складової.

81

Бінарне nеретворення - nервинна базова оnерація виявлення частин зобра­ження, що належать тріщинам, і виокремлення їх від фону. Перетворюють шля­

хом порівняння яскравості кожної точки зображення з певним граничним значен­

ням. Використано адаптивний метод бінаризації, за якого границю перетворення

обчислюють окремо для кожного фрагмента зображення. Такий nідхід дає мож­

ливість зменшити вплив завад на розпізнавання зображення [ 18). Проте складна геометрія тріщин зумовлює дискретний характер отриманого

бінарного зображення, яке містить значну кількість фрагментів однієї і тієї ж трі­

щини. Щоб усунути із зображення малі шумові елементи та nідсилити на ньому

головні тріщини, вихідне зображення фільтрують дискретним rауссовим фільтром

[19]. Фільтрування "розмиває" межі об'єктів бінарного зображення, в результаті чого близькі об'єкти об'єднуються, формуючи одну неперервну тріщину. Пов­

торна бінаризація дає змогу на основі відфільтрованого багатоградаційного зо­

браження сформувати масив точок, які описують nоложення тріщини й nрийма­

ються для nодальшого розгляду. Отримане на цьому етаnі зображення І містить

загальну картину розтріскування і може бути використане для отримання інте­

гральних nоказників, які характеризують стан наноnокриву [2, 19). ,----------------··

._,._.____ - ·--. і

:----J І

-:------- : -- -·---·

.. - --.... .. - :: .. -.....::: --­.."_

·--·--! ·-е

. ._ .. ~ . _ ....

-------

0 ... 10°

с

O .. . JOO 160 .. .

І / 170°

170 ... 180° І

L .f

Рис. 2. Вихіднезображення деформованої поверхні (а, d, g,j), результати обробки та ідентифікації тріщиноподібних дефектів (Ь, е, h, k) і діаграми розподілу кутів нахилу трі­

щин (c,f, і,/) за відносної деформації є= 5,9% (а-с); 7,8% (d-j); 15,3% (g-i); 45,4% (j-1).

Fig. 2. The original image of deformed surface (а, d, g, j), results of processing and identifica-tion of crack-like defects (Ь, е, h, k) and curves of crack inclination angles distribution (c,f, i,l)

under relative deformation є= 5.9% (а-с); 7.8% (d- j); 15.3% (g-i); 45.4 о/о (j-1).

82

Подальші етапи обробки зображення дають можливість визначити кількість

тріщин, їх положення, напрям та розмір [7, 8]. Зображення пошкодженої поверх­ні одержували за різних деформацій, після чого їх аналізували згідно з описаним

алгоритмом. Показано (рис. 2) отримані за допомогою мікроскопа вихідні багато­градаційні фотографії поверхні, розпізнані зони локалізації тріщин як результат

їх ідентифікації та діаграми розподілу кутів нахилу тріщин .

Методика інтегрального оцінювання стану поверхні та класифікації

тріщин. Вихідною інформацією для аналізу розтріскування є розпізнане зобра­

ження І пошкодженої тріщинами аналізованої поверхні, на якому нульові пікселі

відповідають фону, а ненульові- тріщинам. За результатами обробки зображення

одержали два види гістограм: вертикальну Vh та горизонтальну Н1, [10]: 11

Vh(j)= L)(i,j), і=І

m

Hh(i)= "fJ(i,j), }=І

де}- індекс стовпця,j Е (l, ... ,m); і- індекс рядка зображення, і Е (l, ... ,n).

(1)

(2)

Кожен елемент вертикальної та горизонтальної гістограми містить ненульові

пікселі відповідно у стовпчиках та рядках аналізованого зображення. Гістограми

для дослідного зразка за деформації Е = 5,9% (рис. 2а) наведено на рис. З.

40

20

о

Рис. З. Горизонтальна (а) та вертикальна (Ь) гістограми

для зображення деформованої поверхні на рис. 2а.

Fig. З. Horizonta\ (а) and vertica\ (Ь) histograms for representation of the deformed surface in Fig. 2а.

Гістограми ( l ), (2) є вихідним базовим масивом даних, на основі якого оцінюва­ли ступінь розтріскування аналізованої поверхні вздовж координатних осей та ви­

значали ділянки зображення, що відповідають пошкодженим фрагментам поверхні .

Для кожної з гістограм розраховували середні значення [10] :

~' =[~ v, (j) }m, (3)

flh=[~нh(i)}п . (4)

Параметри llv та Jlh містять усереднену кількість ненульових пікселів у вер­тикальній та горизонтальній гістограмах, відповідно. Таким чином, коефіцієнти

llv та Jlh дають загальну характеристику про ступінь розтріскування поверхні за двома координатними осями зображення. Однією з переваг використання серед­

нього значення гістограм є чутливість цього методу до зміни напрямку поши­

рення тріщини. Крім того, коефіцієнти р.,, та р.1, інваріантні щодо положення трі-

83

щини: якщо їі зсунути вздовж однієї з координатних осей зображення, то середні

значення будуть незмінні.

Для кожної гістограми обчислювади схожість як накопичену різницю між

суміжними значення гістограми [10]: т-і

Qv = L Іvh (J + 1)-Vh (J) І , (5) j=i

n-1

Qh=L:Інh(i+1)-нh(i) І· (6) i=l

де Qv, Qh - відповідно вертикальна та горизонтальна схожості.

За параметрами Qv та Qh оцінюють однорідність розтрісканої поверхні у

двох координатних напрямках. Низький коефіцієнт схожості свідчить про не­

значні відмінності між окремими рядками (стовпцями) зображення. На практиці

це відповідає однорідній картині розтріскування в певному напрямку.

Таким чином, пари узагальнених характеристик (середніх значень /lv. /lІ• та схо­

жості Qv, Qh) дають змогу отримати комплексну інтегровану характеристику аналі­

зованого зображення у двох взаємоперпендикулярних координатних напрямках.

Закономірності множинного розтріскування. Аналіз фізико-механічних

закономірностей поведінки активних розломів і тріщин показав, що досліджено­

му матеріалу притаманний складний розподіл деформацій та зсувів, які спричи­

няють різні ступені деформування і зміщення фрагментів покриву [19]. Пластич­ні зсуви покриву зумовлюють зміну відносного положення між множинними

дефектами. При цьому зміщення поверхні у горизонтальному напрямку вздовж

розлому (зсуви) та під кутом до нього (насування) випадкові, тоді як вертикальна

компонента переміщень має циклічний впорядкований характер [19]. Слід зазначити, що деформація поверхні визначається пластичним течінням

основи та розкриттям множинних дефектів [20]:

. Р Б є= єшt + І: _j_ ,

i=ilk

(7)

де єint- деформація фрагментів покриву між тріщинами; О;- розкриття і-ої тріщи­ни; р - кількість тріщин на дослідженій довжині lk.

Цирконієвий нанопокрив можна розглядати як багаторівневу систему, в якій

пластичне течіння розвивається як послідовна еволюція втрати стійкості на різ­

них масштабних рівнях (мікро-, мезо-, макро-) [6, 21 ]. Отримані результати (рис. 4) показують, що за малих деформацій (до 15%)

значення /lv та /lh зростають несуттєво - це означає, що загальна картина розтріс­

кування залишається практично незмінною. Вищі значення /lv вказують на біль­

шу площу розтріскування у вертикальному напрямку, ніж у горизонтальному.

При цьому деформування відбувається на мікрорівні, а концентраторами напру­

жень є мікронеоднорідності структури [22]. Низький коефіцієнт вертикальної схожості Qv за деформацій до 15% свідчить про малу змінність картини розтріс­кування вздовж цієї координатної осі: значні фонові проміжки змінюються одно­

рідними фрагментами тріщин.

Характер розвитку фрагментації покриву визначають параметрами розташо­

ваних вздовж нього тріщин [21]. З точки зору класифікації тріщин, інформатив­ним є спектральний аналіз функцій V1,(j) та Hh(i). Застосувавши щодо них пере­творення Фур' є, отримаємо множину гар монік, які характеризують картину роз­

тріскування вздовж відповідної осі. Якщо поверхня містить переважно перпенди­

кулярні до координатної осі тріщини, то у функції гістограми для цієї осі перева­

жатимуть високочастотні складові (горизонтальна гістограма, див. рис. За). Гіс-

84

тограма для осі, вздовж якої направлені тріщини, містить головно низькочастотні

складові (вертикальна гістограма, див. рис. ЗЬ).

~ с .::"

с: :::

8000 :шо

6000

100 4000

2000

о 10 20 зо є,% о 10 20 зо 40 є,%

Рис. 4. Залежність інтегральних nараметрів розтріскування від відносної деформації зразка є: середні значення Jl1, (1) та Jlv (2); схожість Q 1, (3) та Q v (4):

І- мікро-; 11 - мезо-; ІІІ- макрорівень.

Fig. 4. Dependence of integral cracking parameters on the sample relative deformation є: mean values Jlh (1) та Jl v (2); similarity Qh (3) та Qv (4): І- micro-; 11 - mezo-; ІІІ - macrolevel.

Як інтегральну величину, що характеризує амплітудний спектр функцій V1/j) та Hh(i), використали центральну гармоніку С. Вона розподіляє спектр на однако­ві за площею частини і показує, які гармоніки роблять найбільший вклад у фор­

мування функції спектра (рис. 5). Побудовані (рис. б) графіки зміни центральної гармоніки ch та Cv для проаналізованих зображень (див . рис. 2).

А,.

28

20

12

4

о 5 15 25 З5 45 55 65 75 85 С;

Рис. 5. Fig. 5.

16

14

12

10

()

- ... --.... І l..::,....~ ...... , І

·:· ' ' ' .:.""-,

2

10 20 зо

Рис. б. Fig. б.

Рис. 5. Амnлітудний сnектр функції Н1, для зображення рис. 2а.

Fig. 5. Amplitude spectrum of Н1, t"unction for image Fig. 2а.

'

40 Є, о/о

Рис. б. Залежність зміщення середини сnектра С1, (1) та С. (2) від відносної деформації є.

Fig. б. Dependence of the disp1acement range of the mid spectrum С1, (1) and С. (2) on relatively strain є.

Виявлено, що за малих відносних деформацій (до 15%), тріщини орієнтовані переважно у горизонтальному напрямку, а у функції горизонтальної гістограми

Hh переважають гармоніки з вищими частотами. Водночас функція вертикальної

гістограми Vh містить переважно низькочастотні гармоніки, що вказує на більшу однорідність розтріскування у горизонтальному напрямку.

За значних деформацій (на етапі руйнування покриву) величина С1, для гори­зонтальної гістограми стрімко знижується - спектр зміщується в сторону низько­

частотних гармонік. Це підтверджує розорієнтацію тріщин та втрату ними пере­

важно горизонтального напряму. Проте спектр функції вертикальної гістограми

85

зміщується в сторону високочастотних гармонік, що вказує на посилений ріст

тріщин вздовж вертикальної осі. Зазначимо, що залежності подані на рис. б від­

творюють таку ж закономірність, як і зміна коефіцієнтів схожості (див. рис. 4Ь).

Стадійність та параметри множинного розтріскування. Розтріскування

відбувається стадійна та одночасно з деформуванням, при цьому активуються

тріщини у матеріалі, що пов'язано з їх вибіркавим підростанням та об'єднанням з більшими дефектами (див. таблицю).

Відносна

деформація

покриву є,%

5,9

7,8

30,3

45,4

Параметри та типи мноЖинного розтріскування дослідженого цирконієвого нанопокриву

Домінуюча Параметри

Тип тріщини орієнтація тріщин пошкодження llv• /lh (0 ... 180°),%

21,4 І 28,5 Поздовжні тріщини 65,18

27,9 І 37,2 Поздовжні тріщини 77,86

94,2 І 125,6 Поздовжні+

49,13 + поперечні тріщини

134,41179,1 Фрагментація та

31,18 руйнування покриву

За відносної деформації є = 6,0 ... 8,0% покрив вкривається мережею гори­зонтально розташованих тріщин. Відносна деформація є = 15 ... 35% спричиняє зростання коефіцієнтів 11· Це вказує на активацію поширення тріщин в обох ко­ординатних напрямках, тобто на ротаційне та зсувне зміщення блоків матеріалу

(мезорівень). Слід зазначити, що швидкість збільшення /lv помітно вища. Оскіль­ки горизонтальний напрям тріщин переважний, то швидше зростання коефіцієнта

/lv вказує, що на цьому етапі ширина тріщини (/lv) збільшується суттєвіше, ніж довжина (/lh). Перевага горизонтального напряму підростання дефектів підтвер­джується високим значенням середньої гармоніки Ch.

За Е = 15 ... 35% схожість суттєво зменшується- це вказує на утворення но­

вих тріщин та їх розорієнтацію (див. рис. 2). Високі значення .Qv та .Qh за великих

деформацій свідчать про складну неоднорідну картину розтріскування, зумовле­

ну загальним руйнуванням покриву. На цьому ж етапі відбувається зміщення по­

чаткового високочастотного спектра функції Vh у сторону низьких частот, відхи­лення орієнтації тріщин від горизонталі. Елементарними носіями деформування

на мезорівні є структурні елементи (фрагменти покриву), рух яких визначають за

схемою "зсув+ поворот" [23]. За є:::: 45% відбуваються значні зміни в орієнтації тріщин, пов'язані з їх роз­

криттям та фрагментацією покриву, і завершальний етап- руйнування.

Стадійність розтріскування, активація та коалесценція дефектів залежить від

деформаційних процесів [24]. Зокрема, на макрорівні вичерпування пластичності пов'язане з рівнем локалізації деформацій. Цей процес прогресує зі зростанням

макродеформацій та підвищенням напружень у фрагментах покриву [25]. При цьому множинні дефекти в матеріалі частково збільшують його деформаційні

властивості, спричиняючи "поглинання" енергії пружно-пластичних деформацій

прилеглих ділянок [26].

висновки

Досліджено спосіб оцінювання стану пошкодженої поверхні на основі аналі­

зу Гі зображення і обчислення інтегральних параметрів вертикальної та горизон­

тальної гістограм. Запропоновано метод оцінювання стану розтріскування по­

верхні шляхом спектрального аналізу функцій гістограм. Показано можливість

86

класифікації тріщин за видами (поздовжні, поперечні, блочні тощо) шляхом об­

числення інтегральних параметрів.

На основі запропонованої методики виявлено основні закономірності руйну­

вання цирконієвого покриву, нанесеного на сталеву основу, за відносних дефор­

мацій від 5 до 45%. Встановлено, що окремим стадіям руйнування покриву від­повідають свої інтегральні параметри. Запропоновано фізико-механічну інтер­

претацію стадійності деформування матеріалу з множинними дефектами, яка

забезпечується узгодженістю деформування матеріалу і розкриття дефектів. Це

дає змогу використовувати запропонований підхід для технічного діагностування

стану досліджуваної поверхні.

За досягнення граничного стану покрив поділяється на низку квазірегулярно

розташованих фрагментів приблизно однакового розміру з формуванням регу­

лярного рельєфу. На завершальних етапах деформування утворюється складчас­

тий рельєф та ділянки множинного розтріскування з утворенням системи пара­

лельних тріщин.

РЕЗЮМЕ. Проведена идентификация и количественньІЙ анализ сетки трещин в цир­

кониевом наношжрьпии на основе обработки цифровь1х изображений поверхности. Пове­

дение дефектов оценивали по результатам диагностики отдельнь1х зтапов деформацион­

ного процесса. Установлено, что отдельнь1м стадням разрушення покрьпия соответству­

ют определеннь1е интегральнЬІе параметрЬІ изображения. На основании последовательной

обработки даннЬІх множественного поверхноетного растрескивания вьІявленьІ основнь1е

закономерности коалесценции отдельнь1х дефектов и фрагментацин покрьпия. Установ­

лено, что множественнь1е дефектьІ в материале увеличивают его деформационнь1е свойст­

ва, ВЬІЗЬІвая "поглощение" знергии упруго-пластических деформаций прилегающих

участков. ПредставленьІ теоретические предпосьшки и зкспериментальнь1е результать1.

SUMMARY. Ideпtificatioп of the quaпtitative aпalysis of crack пetwork іп the zircoпium папосоаtіпg based оп the digital imagiпg surface processiпg are described. The behavior of the defects was assessed Ьу the results of diagпostics of iпdividual stages of the deformatioп pro­cess. The basic laws of coalesceпce of iпdividual defects апd fragmeпtatioп of the coatiпg was aпalysed оп the base оп the serial processiпg of multiple crackiпg of the surface. The preseпce of multiple defects іп the material iпcreases its deformatioп properties, causiпg the eпergy "absorptioп" of elastic-plastic deformatioп of the suпouпdiпg areas. Theoretical backgrouпd апd experimeпtal results are preseпted.

І. Calculations of theoretical streпgth: State of the art апd history І J. Pokluda, М. Сегпу, Р. Saпdera, М. Sob /І J. of Computer-Aided Materials Desigп.- 2004. -11.- Р. 1-28.

2. lnfluence of deformatioп process іп material at multiple crackiпg апd fragmeпtatioп of папо­соаtіпg І Р. О. Maruschak, S. V. Рапіп, S. R. Igпatovich et al. 11 Theor. апd Appl. Fract. Mech.- 2012.-57.- Р. 43-48.

З. Sevostianov І. and Kachanov М. Local miпima апd gradieпts of stiffпess апd coпductivity as iпdicators of streпgth reductioп of brittle-elastic materials 11 Іпt. J. of Fracture. - 2010. -164 (1).- Р. 147-154.

4. Allen D. Н. and Searcy С. R. А model for predictiпg the evolutioп of multiple cracks оп mul­tiple leпgth scales іп viscoelastic composites 11 J. of Mat. Sci.- 2006.- 41.- Р. 6510-6519.

5. Kushch V. /., Sevostianov 1., and Mishnaevsky L. Jr. Effect of crack orieпtatioп statistics оп effective stiffпess of mircocracked solid 11 Іпt. J. of Solids апd Struct. - 2009. - 46, N2 6. - Р. 1574-1588.

6. Panin V. Е., Goldstein R. V., and Panin S. V. Mesomechaпics of multiple crackiпg of brittle coatiпgs іп а loaded solid /І Іпt. J. of Fracture.- 2008.- 150.- Р. 37-53.

7. Деформування розломно-блокових середовищ з урахуванням зон множинного тріщино­

утворення І П. В. Ясній, П. О. Марущак, І. Б. Окіпний та ін. /І Закл. звіт україно-білорусь­

кого науково-досл. проекту (0111U008340).- Тернопіль: ТНТУ ім. І. Пулюя, 2011.-60 с. 8. Strain stages апd regularities of static fracture of 25Cr І Мо 1 V steel damaged Ьу а пetwork

of thermal fatigue cracks ІР. V. Уаsпіу, Р. О. Maruschak, S. V. Рапіп, Р. S. Lyubutiп //13'h Іпt. Сопf. "Mesomechaпics 2011" (6--8 July).- Italy: Viceпza, 2011.- Р. 84-87.

9. Zhu Z., Gennan S., and Brilakis І. Visual retrieval of coпcrete crack properties for automated post-earthquake structural safety evaluatioп 11 Automatioп іп Coпstructioп.- 2011.- 20(7). - Р. 874-883.

87

10. Hassani А. and Glюsemzadeh Telzrani Н. Crack detection and classification in asphalt pave­ment using image processing 11 Pavement Cracking: Mechanisms, Modeling, Detection, Testing and Case Histories.- 2008.- Р. 891-896.

11. Кількісний аналіз структурних змін у сталі внаслідок високотемnературної витримки у водні І О. З. Студент, Б. П. Русин, Б. В. Кисіль та ін. 11 Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2003. - Nя 1. - С. 22-28. (Stиdent О. Z., Rиsyn В. Р., Kysil' В. V., Kobasyar М. І., Staklziv Т. Р., and Markov А. D. Quantitative Analysis of Structural Changes in Steel Caused Ьу High-Temperature Holding in Hydrogen 11 Materials Science.- 2003.- N2 1.- Р. 17-24.)

12. Plzysical regularities in cracking of nanocoating and the method for automated determin:.~tioп of crack network par:.~meters ІР. О. Maruschak, І. V. Konovalenko, V. Gliha et :.~1. 11 Book ot· abstracts ot· 19'h Cont". on Materials and Technology (November 22-23). - Slovenia, Portoroz, 2011.- Р. 52.

13. Деформация и разрушение образцов сталей 12Х 1 МФ и 25Х ІМ І Ф с наноструктурньtм nокрьпием nри циклическом растяжении и знакаnеременном изгибс І П. В. Ясний, П. О. Марущак, С. В. Панин и др. 11 IV Всероссийская конф. no наноматериалам "НАНО-2011" (1-4 марта).- М.: Ин-т металлургии и материалаведения им. А. А. Бай-кова РАН, 2011.- С. 452. ·

14. Ланин С. В., Марущак П. 0., Любутии П. С. Иерархические уровни деформирования теnлостойкой стали с множественнь1ми дефектами 11 Тез. докл. Межд. конф. no физи­ческой мезомеханике, комnьютерному конструированию и разработке новьІх материа­лов (5-9 сентября).- Томск: ИФПМ СО РАН, 2011.- С. 73-75.

15. Установка ионно-магнетронного наnьшения нанокристаллических nокрьпий (КВАНТ) І В. П. Сергеев, В. П. Яновский, Ю. Н. Параев и др. 11 Физическая мезомеханика. - 2004.- 7, Сnец. вьm. 2.- С. 333-336.

16. Increase of plasticity of maraging steels Ьу means of ion beam nanostructuring ot· surt·ace layer І О. V. Sergeev, М. V. Fedorischeva, V. Р. Sergeev et al. 11 10'h Int. Conf. on Modifi­cation of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (September 19-24). - Tomsk, 2010.- Р. 342-344.

17. Yasniy Р., Konovalenko І., Marиsclzak Р. Investigation into the geometrical parameters of а thermal fatigue crack pattern 11 WSEAS Int. Conf. "New aspects of engineering mechanics, structures and engineering geology".- Greece, Heraklioп, Crete Island, 2008.- Р. 61-66.

18. Автоматизований аналіз nоверхневих тріщин у конструкційних елементах І П. В. Яс­ній, П. О. Марущак, І. В. Коноваленко, Р. Т. Біщак 11 Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2008. - Nя 6. - С. 83-88. (Yasnii Р. V., Maruslzchak Р. 0., Konovalenko І. V., Bisltclшk R. Т. Computer analysis of surface cracks in structural elements 11 Materials Science.- 2008.- N2 6.- Р. 833-839.

19. Analysis of brittle coating fragmentation under uniaxial tension for Weibull strength distri­butions І 1. Andersons, U. А. Handge. І. М. Sokolov, А. Blumen 11 Eur. Phys. J. В.- 2000. -17.- Р. 261-268.

20. Li V. С. and Wи Н. С. Conditions for pseudo strain-hardening in tїber reiпforced brittle matrix composites 111. Applied Mech. Review.- 1992.-45.- Р. 390-398.

21. Zhи У. Т., Liao Х. Z., and Wи Х. L. Deformation twinning in nanocrystalline materials 11 Progress in Mat. Sci. - 2012. -57 ( 1 ). - Р. 1-62.

22. Evalиation of hardening of plastically deforined steels ІР. Yasniy, V. НІаdо, Р. Maruschak, D. Baran 11 Proc. of the lЗ'h Int. Conf. "Experimental Analysis of Nano and Engineering Materials and Structures" (July 1-6).- Greece: Alexandroupolis, 2007.- Р. 147-148.

23. Marиsclzak Р.О., Konovalenko І. V., Bishclzak R. Т. Et"fect of thermal f"atigue cracks on brittle­ductile deformation and failure of СВСМ roller surface l:.~yers 11 Metallurgist. - 2012. - 56. - Р. 30-36.

24. Исследование локальнь1х смешений материала, nоврежденного сеткой трещин терми­ческой усталости І П. О. Марущак, Р. Т. Бищак, С. В. Панин, П. С. Любутин 11 Тез. докл. межд. науч.-техн. конф. "Современнь1е nроблемьІ машиноведения", научньtе чтения nосв. 115-летию со дня рождения П. О. Сухого, (28-29 октября). - Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого, 2010.- С. 59-60.

25. Konovalenko І. V. and Marushchak Р. О. Error ana1ysis of an algorithm for identifying ther­mal fatigue cracks 11 Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2011. - 47. - Р. 360-367.

26. Andersoш J., Tarasovs S., and Leterrier У. Evaluation ot· thin film adhesion to а compli:шt substrate Ьу the analysis of progressive buckling in the fragmentation test 11 Thin Solid Films.- 2009.-517 (6).- Р. 2007-2011.

Одержаио 16.02.2012

88