Full Text

Введение Анализ публикаций отечественных и зарубежных авторов свидетельствует об актуальности экспериментальных исследований мало- и многоцикловой усталости в условиях многоосного нагружения для различных конструкционных сталей и сплавов, в том числе авиационного назначения [1-7]. Необходимость проведения экспериментальных исследований при многоосной усталости обусловлена особенностями процесса циклического разрушения в местах сложной геометрии ответственных элементов конструкций газотурбинных двигателей, в которых реализуется сложное напряженно-деформированное состояние. Результаты испытаний используются для изучения закономерностей механического поведения, исследования процессов накопления повреждений, разработки теоретических моделей для расчета усталостной долговечности [8-12]. Для оценки разрушения деталей от действия циклически изменяемых нагрузок при сложном напряженном состоянии используются различные методы расчета ресурса, основанные на линейных и нелинейных моделях накопления повреждений. Результаты расчетов сравниваются с данными экспериментальных исследований [13-15]. В основу критериев расчета на усталость элементов авиационных конструкций при многоосном циклическом нагружении закладывается переход от сложного напряженного состояния к некоторым величинам амплитуды напряжений или деформаций (например, максимальное главное или касательное напряжение, интенсивность напряжений или деформаций и др.). Для определения циклической долговечности рассчитанную величину эквивалентного напряжения сравнивают с аналогичным значением для соответствующей точки на кривой усталости, которая строится в большинстве случаев на основе результатов одноосных испытаний при растяжении-сжатии [5, 10, 12, 16]. Одним из факторов, существенно снижающих долговечность конструкционных сталей, является повышенная температура [17-22]. Температурные условия нагружения помимо снижения циклического ресурса, как правило, изменяют характер механического поведения и процессов накопления повреждений материала. Наиболее отчетливо эти изменения отражаются на характеристиках петель гистерезиса и зависимости максимальных и минимальных напряжений от числа циклов в случае жесткого нагружения. Подобные зависимости механических свойств конструкционных материалов от температуры связаны со структурными изменениями, такими как деформационное старение, рекристаллизация, полигонизация и др. Если при циклическом нагружении реализуется неблагоприятная комбинация параметров цикла (высокий уровень нагрузок и температуры, большое время цикла, наличие длительных выдержек и др.), то на долговечность металлов и сплавов влияют также явления ползучести и релаксации. В отличие от испытаний на многоцикловую усталость, при малоцикловой усталости характерным является наличие значительных пластических деформаций в цикле, для анализа и контроля которых требуется использование динамических экстензометров [8, 13, 22-26]. Использование датчиков деформаций в экспериментах на малоцикловую усталость позволяет планировать и проводить испытания в условиях либо жесткого, либо мягкого циклического нагружения, когда в процессе испытаний контролируются параметры цикла либо по деформациям, либо по напряжениям соответственно. Для экспериментального исследования механического поведения конструкционных сталей используются простые или комбинированные программы нагружения, в которых контролируемый параметр цикла (для случая жесткого циклического нагружения используются, например, амплитуды общей или пластической деформации, скорость пластического деформирования и др.) задается по произвольному закону. Характер циклического поведения материала отслеживается по изменяемому параметру цикла на основе анализа зависимостей максимальных и минимальных значений от числа циклов в испытании. Представленный обзор публикаций отечественных и зарубежных авторов показывает, что для изучения механического поведения и процессов разрушения конструкционных сталей при малоцикловой усталости важным и актуальным является проведение комплексных экспериментальных исследований характеристик сопротивления усталости конструкционных сталей в условиях сложного напряженного состояния в широком диапазоне температур. 1. Методики испытаний Испытания на малоцикловую усталость проводили в Центре экспериментальной механики ПНИПУ с использованием двухосной испытательной системы Instron 8850, внешний вид которой представлен на рис. 1, а. Два независимых гидравлических привода и современная система управления параметрами испытаний установки позволяют реализовать различные комбинации циклических и статических воздействий, что дает широкие возможности для проведения комплексных экспериментов в условиях плоского напряженного состояния при простых и сложных режимах циклического нагружения, а также позволяет планировать испытания для оценки механических свойств материала в условиях повышенных температур и комбинированных термосиловых воздействий [27-29]. В составе испытательной системы для измерения прикладываемых усилий и моментов в процессе испытания используется двухосевой датчик нагрузки Dynacell с предельными измеряемыми значениями нагрузок ±160 кН при растяжении или сжатии и ±1 кНм при кручении. Точность силового датчика равняется 0,4 % от измеряемой величины. Для измерения деформаций в ходе экспериментов на малоцикловую усталость при разных значениях температуры применялись динамические двухосевые экстензометры фирмы Epsilon 3550-010M и 3550HT-025M с базами измерения 10 и 25 мм, диапазонами измерений осевых деформаций ±5 и ±10 % и углов закручивания ±4 и ±2,5° соответственно. На рис. 1, б и в показаны установленные в испытательную машину образцы, датчики деформаций и высокотемпературная печь. Двухосевые экстензометры позволяют проводить циклические испытания с контролем деформационных параметров цикла и реализовать различные траектории жесткого нагружения при пропорциональном и непропорциональном изменении осевых и сдвиговых деформаций. На основе показаний двухосевого датчика деформаций для каждого цикла записываются диаграммы деформирования, анализ которых позволяет определять комплекс параметров петель гистерезиса, характерных для режима малоцикловой усталости, и изучать закономерности механического поведения конструкционных сталей и сплавов [23-25]. Перед проведением испытаний датчики деформаций калибровались на двухосевом стенде с поверенными микрометрическими головками. После установки образца в захватах испытательной системы с целью определения качества закрепления экстензометров на поверхности рабочей части производилось предварительное циклирование в упругой области, при котором на нескольких циклах определялись упругие модули при растяжении и кручении и оценивалась линейность показаний датчиков деформаций. В соответствии со стандартом ГОСТ 25.502-79 для проведения циклических испытаний на растяжение-сжатие и кручение можно использовать сплошные или трубчатые образцы. Преимуществом использования тонкостенных трубчатых образцов является близкое к однородному напряженно-деформированное состояние, которое реализуется в кольцевом поперечном сечении рабочей части образца, что удобно для последующей интерпретации результатов испытаний. В отличие от трубчатых в сплошных образцах в поперечном сечении реализуется неоднородное напряженное состояние из-за зависимости величины касательных напряжений от расстояния между центром и рассматриваемой точкой сечения. На рис. 2 представлены эскизы образцов с кольцевым поперечным сечением рабочей части, форма которых разработана с учетом требований стандартов ASTM E2207-02, ГОСТ 25.505-85 и ГОСТ 25.502-79 и особенностей испытательного оборудования (геометрия клиновидных захватов, база измерения двухосевых экстензометров, размеры высокотемпературной печи). При изготовлении образцов подобных типов необходимо уделять повышенное внимание, во-первых, качеству внешней и внутренней поверхностей образца, на которых должны отсутствовать концентраторы напряжений в виде рисок от обрабатывающего инструмента, которые могут привести к существенному снижению долговечности, и, во-вторых, равномерности толщины стенки рабочей части образцов в окружном направлении, обеспечивающей близкое к однородному плоское напряженное состояние в поперечном сечении. Для проведения испытаний при повышенной температуре использовались удлиненные трубчатые образцы, позволяющие разместить высокотемпературную печь между захватными частями испытательной машины. По сравнению с более короткими образцами у удлиненных образцов больше длина рабочей части на 14 мм (см. рис. 2), что необходимо для установки высокотемпературного датчика деформаций с базой 25 мм. а б в Рис. 1. Сервогидравлическая испытательная система Instron 8850 (а) и установленные на образец двухосевые датчики деформаций для проведения испытаний при комнатной (б) и повышенной (в) температурах Fig. 1. Servohydraulic test system Instron 8850 (а). Dual-axis strain sensors installed on the sample for testing at normal (b) and high temperatures (c) а б Рис. 2. Эскизы тонкостенных трубчатых образцов для циклических испытаний на растяжение с кручением при нормальной (а) и повышенной (б) температурах Fig. 2. Thin-walled tubular samples sketches for cyclic tests under tension and torsion at normal (a) and high temperatures (b) При экспериментальном исследовании характеристик малоцикловой усталости в условиях повышенных температур на поверхность рабочей части образца крепились две термопары, позволяющие контролировать нагрев до заданной температуры. Показания с термопар снимались посредством контроллера Omega MDSi8A. Для минимизации движения потоков нагретого воздуха заглушивалось внутреннее отверстие образца, и укладывалась теплоизоляция из минеральной ваты по нижней и верхней поверхностям обкладки высокотемпературной печи. а б Рис. 3. Образец с прикрепленными термопарами (а) и уложенной термоизоляцией на верхней поверхности высокотемпературной печи (б) Fig. 3. Samples with attached thermal couples (a) and heat insulation laid down on the upper surface of the high-temperature furnace (b) На рис. 3 показаны фотографии образца с закрепленными термопарами и уложенная между захватами испытательной машины и высокотемпературной печью термоизоляцией. Перед началом испытаний в течение двух часов проводилась выдержка, обеспечивающая нагрев рабочей части образца до заданной температуры и достижение теплового равновесия в системе «печь-образец-захваты». 2. Результаты испытаний Эксперименты на малоцикловую усталость при нормальной и повышенной температуре конструкционной стали ЭП517Ш проводили в режиме жесткого нагружения, когда в процессе двухосного деформирования контроль параметров цикла осуществляется по осевым и сдвиговым деформациям одновременно. Изменение деформаций в цикле задавали по линейным законам, позволяющим обеспечить постоянную скорость деформирования в осевом и в окружном направлениях. Скорости осевой и сдвиговой деформации составляли: и , а максимальные значения деформаций в цикле равнялись: и . Циклические испытания проводили по трем программам нагружения, представленным на рис. 4. Схемы на рис. 4, а и б соответствуют пропорциональному изменению осевых и сдвиговых деформаций (простое нагружение с треугольной и М-образной формами цикла соответственно), а на рис. 4, в - непропорциональному (сложное нагружение). Коэффициенты асимметрии цикла . а б в Рис. 4. Изменение осевых (сплошная) и сдвиговых (штриховая) деформаций при циклическом простом ((а) треугольная и (б) М-образная формы циклов) и сложном (в) нагружении Fig. 4. Variation of axial (continuous) and shear (dashed) deformations under cyclic simple ((a) triangular and (b) M-shaped cycle modes) and complex (c) loading В процессе испытания производили запись зависимостей нормальных напряжений от осевых деформаций и касательных напряжений от угла сдвига. На рис. 5 представлены указанные зависимости в виде петель гистерезиса, построенные для среднего по долговечности цикла. Используемое программное обеспечение позволяет в каждом цикле автоматически фиксировать максимальные и минимальные значения изменяющихся в эксперименте величин, что позволяет отслеживать эволюцию пиковых значений от числа пройденных циклов. Например, по зависимости максимальных напряжений от количества циклов определялся момент разрушения образца. Образец считался разрушенным, если значение максимального нормального или касательного напряжения падало на 50 % по сравнению с аналогичными величинами, зафиксированными на первых циклах, или образец разделялся на две части. Результаты испытаний представлены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Результаты испытаний на малоцикловую усталость при двухосном нагружении на растяжение-сжатие и кручение при температуре 20 °С Table 1 Low-cycle fatigue test results under biaxial loading in tension-compression and torsion at the temperature of 20 °C Номер образца Максимальное напряжение в цикле, МПа Минимальное напряжение в цикле, МПа Размах напряжения, МПа Коэффициент асимметрии Число циклов до разрушения , % , % , % , % , % , % Rσ Rτ N Простое нагружение (треугольная форма цикла - рис. 4а) РК1410-03 593 132 -423 -149 1016 281 -0,71 -1,13 2500 РК1410-04 605 148 -402 -126 1007 274 -0,67 -0,85 5600 РК1410-05 624 151 -403 -140 1028 291 -0,65 -0,93 1850 РК1410-06 601 150 -407 -136 1008 286 -0,68 -0,90 4594 РК1410-19 672 160 -388 -121 1060 281 -0,58 -0,76 1839 Среднее число циклов 3277 Простое нагружение (М-образная форма цикла - рис. 4, б) РК1410-09 562 152 -396 -121 958 273 -0,70 -0,79 4200 РК1410-10 608 156 -407 -150 1015 306 -0,67 -0,97 1250 РК1410-11 649 161 -361 -136 1011 297 -0,56 -0,84 1706 РК1410-12 622 150 -383 -139 1005 290 -0,62 -0,93 1500 Среднее число циклов 2164 Сложное нагружение (рис. 4, в) РК1410-14 591 220 -445 -124 1036 344 -0,75 -0,57 2085 РК1410-15 646 204 -416 -114 1062 318 -0,64 -0,56 1116 РК1410-16 600 209 -439 -120 1040 329 -0,73 -0,57 1500 Среднее число циклов 1656 Таблица 2 Результаты испытаний на малоцикловую усталость при двухосном нагружении на растяжение-сжатие и кручение при температуре 600 °С Table 2 Low-cycle fatigue test results under biaxial loading in tension-compression and torsion at the temperature of 600° C Номер образца Максимальное напряжение в цикле, МПа Минимальное напряжение в цикле, МПа Размах напряжения, МПа Коэффициент асимметрии Число циклов до разрушения , % , % , % , % , % , % Rσ Rτ N Простое нагружение (треугольная форма цикла - рис. 4, а) PK1425-20 451 90 -352 -69 803 159 -0,78 -0,77 2900 PK1425-21 456 85 -375 -72 831 157 -0,82 -0,85 1920 PK1425-22 464 94 -396 -85 859 179 -0,85 -0,90 2405 Среднее число циклов 2408 Простое нагружение (М-образная форма цикла - рис. 4, б) PK1425-23 368 72 -351 -61 719 134 -0,95 -0,84 620 PK1425-25 489 91 -388 -83 877 174 -0,79 -0,91 1320 PK1425-26 497 80 -367 -88 864 167 -0,74 -1,10 1702 Среднее число циклов 1214 Сложное нагружение (рис. 4, в) PK1425-27 410 156 -430 -59 840 216 -1,05 -0,38 1251 PK1425-28 401 165 -423 -62 824 228 -1,05 -0,38 1480 Среднее число циклов 1366 а б в г Рис. 5. Характерные петли гистерезиса малоцикловой усталости при комнатной (а и б) и повышенной температуре (в и г) и трех разных схемах циклического деформирования (синий цвет - простое нагружение с треугольной формой цикла, красный цвет - простое нагружение с М-образной формой цикла, зеленый цвет - сложное нагружение) Fig. 5. Characteristic hysteresis loops of low-cycle fatigue at room (a and b) and high temperatures (c and d) and three different cyclic deformation diagrams (blue - simple loading with a triangular cycle mode, red is simple loading with M- the figurative cycle mode, green color - complex loading) Анализ приведенных в табл. 1 и 2 данных показывает, что для конструкционной стали ЭП517Ш при малоцикловой усталости долговечность существенно зависит как от температуры, так и от траектории нагружения, даже в случае равенства задаваемых параметров цикла для осевой и сдвиговой деформаций. Можно сделать вывод, что в случае непропорционального деформирования процесс накопления повреждений развивается более интенсивно, что приводит к снижению ресурса стали ЭП517Ш примерно в два раза по сравнению с пропорциональным нагружением как при нормальной, так и при повышенной температуре (см. табл. 1). В свою очередь, долговечность конструкционной стали ЭП517Ш существенно зависит от температуры испытания для всех схем деформирования и снижается на 25% для треугольной и на 35% для М-образной форм циклов, а также на 20% в случае сложного деформирования. Заключение Таким образом, в работе рассмотрены методики проведения испытаний на малоцикловую усталость в условиях двухосного циклического деформирования при растяжении-сжатии и кручении. Проведены экспериментальные исследования малоцикловой усталости при комнатной и повышенной, 650 °С, значениях температуры в условиях сложного напряженного состояния конструкционной стали ЭП517Ш при простом и сложном нагружении. Представлены новые данные о влиянии вида нагружения и повышенной температуры на усталостную долговечность конструкционной стали ЭП517Ш.

About the authors

E V Lomakin

Lomonosov Moscow State University

M P Tretyakov

Perm National Research Polytechnic University

A V Ilinykh

Perm National Research Polytechnic University

A V Lykova

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 455

PDF (Russian) - 121