Полный текст

Введение Определение природы зарождения усталостных трещин является одной из важнейших фундаментальных проблем для различных областей приложений, особенно если говорить о сверхмногоцикловой (гигацикловой) [1-3] усталости, когда трещина образуется внутри материала. Характерной чертой развития разрушения в условиях гигацикловой усталости является решающее влияние на усталостную долговечность стадии инициирования усталостной трещины. При этом качественным отличием является образование усталостной трещины в объеме материала [4, 5], что решающим образом меняет постановку проблемы оценки усталостного ресурса, методов исследования стадийности развития разрушения. В противоположность сложившимся традициям в области многоцикловой усталости, где центральное внимание уделяется стадии распространения трещин, возникает фундаментальная проблема зарождения усталостной трещины в ходе многомасштабных процессов развития поврежденности, ассоциируемой с дефектами различной природы (включения, полосы локализованного пластического сдвига, микротрещины, поры). Формирование ультрамелкозернистой или наноструктуры методами интенсивной пластической деформации приводит к существенному повышению прочностных свойств металлических материалов как при квазистатических [6-10], так и при циклических испытаниях [11-14], поэтому исследования усталостных характеристик титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой являются актуальной задачей. При исследовании механизмов формирования усталостных трещин [1, 4, 14, 15] отмечается, что стадийность разрушения характеризуется эффектами «необратимости», инициированными формированием локализованных сдвигов, играющих ключевую роль при зарождении усталостной трещины, что может проявляться в признаках нелинейности упругого поведения материалов, «аномалий упругой податливости» усталостных образцов. Широкое применение получила методика анализа нелинейных колебаний [16-18] для оценки зарождения и роста усталостных трещин [19-24], которая позволяет in situ оценить состояние поврежденности материала в процессе испытаний на основе проявления аномалий упругих свойств, измеряемых по амплитуде колебаний второй гармоники свободного торца образца. Использование данной методики совместно с анализом морфологии поверхностей разрушения позволит разделить стадии зарождения и распространения усталостной трещины в гигацикловом диапазоне, установить механизмы формирования трещин и сформулировать фундаментальные кинетические уравнения с учетом масштабных параметров. 1. Материал и условия эксперимента В работе исследовались авиационный сплав титана ВТ-6 (Ti6Al4V) и медицинский сплав Ti45Nb. Исследуемые титановые сплавы были представлены в крупнокристаллических и субмикрокристаллических (СМК) состояниях. Мелкозернистое состояние сплава ВТ-6 достигалось методом радиально-сдвиговой прокатки [25] на мини-стане винтовой прокатки «14-40» с предварительным нагревом заготовок в интервале температур 850-700 °С. Мелкозернистую структуру в Ti45Nb формировали комбинированным двухэтапным методом интенсивной пластической деформации, который включал многократное abc-прессование и многоходовую прокатку в ручьевых валках с последующим отжигом [26, 27]. Геометрия образцов представляла форму песочных часов (рис. 1, б) с линейными размерами, которые вычислялись по аналитическим формулам [1] для выполнения условия резонанса системы из нагружающей машины и образца. Усталостное нагружение проводилось на ультразвуковой испытательной машине резонансного типа Shimadzu USF-2000 (рис. 1, а: 1 - волновод, 2 - образец, 3 - датчик перемещений, 4 - система охлаждения) при симметричном цикле (R = -1). Амплитуда колебаний свободного торца образца измерялась с помощью высокочувствительного индуктивного датчика через систему аналого-цифрового преобразователя. Разработанное программное обеспечение позволяло in situ с помощью Фурье-анализа получать амплитуду первой, второй и третьей гармоник колебаний. а б Рис. 1. а - Экспериментальная установка; б - геометрия образцов. Размеры L1, L2, R1, R2 подбираются для выполнения условия резонанса по формулам, описанным в [1] Fig. 1. a) the experimental setup; b) the geometry of the specimens. Scales of L1, L2, R1, R2 depend on material properties and are selected to satisfy the condition of resonance of the formulas described in [1] 2. Результаты усталостных испытаний Результаты усталостных испытаний сплава ВТ-6 изображены на диаграмме на рис. 2. Видно, что в результате радиально-сдвиговой прокатки усталостные свойства материала не повысились. Амплитуда напряжений на базе испытаний 109 циклов составила 420 МПа для сплава ВТ-6 в СМК состоянии и 450 МПа для сплава ВТ-6 в исходном состоянии. Рис. 2. S-N-диаграмма для сплава Вт-6, голубые круги - в исходном состоянии, оранжевые квадраты - в СМК-состоянии Fig. 2. S-N diagram for Ti6Al4V alloy, the blue circles show the initial state, the orange squares show the SMC state Морфологию поверхностей разрушения образцов из сплава ВТ-6 можно разделить на три вида (рис. 3): а) с образованием поверхностной трещины, амплитуда нагружения σ = 490 МПа, число циклов до разрушения N = 9,05·105 - такой вид характерен для многоцикловой усталости (105-107 циклов до разрушения); б) с образованием трещины в глубине материала, так называемый «рыбий глаз»; амплитуда нагружения σ = 480 МПа, число циклов до разрушения N = 9,4·108 - такая поверхность разрушения характерна для (гигацикловой) усталости (108-109 циклов до разрушения); в) подповерхностное зарождение трещины, амплитуда нагружения σ = 410 МПа, число циклов до разрушения N = 1,6·109 - такой тип разрушения характерен для материалов с высокими подповерхностными остаточными напряжениями, формирующими очаг усталостной трещины. Возможно, снижение усталостных свойств СМК сплава ВТ-6, полученного методом радиально-сдвиговой прокатки, связано именно с наличием больших остаточных напряжений внутри материала. Мелкозернистая структура титанового сплава Ti45Nb, сформированная комбинированным методом ИПД, увеличила его усталостные свойства в 1,3-1,4 раза (рис. 4), но наблюдается очень большой разброс по количеству циклов, соответствующих напряжению на базе 109. Для образцов крупнозернистого сплава Ti45Nb напряжение на базе 109 циклов до разрушения составила 150-200 МПа, тогда как это напряжения для СМК-сплава составило 250-300 МПа. Однако при напряжении 300 МПа наблюдаются разрушения как при 1,2·109, так и при 5·107. Такой большой разброс значений циклов до разрушения может свидетельствовать о сильной неоднородности структуры образцов. а б в Рис. 3. Образец сплава титана ВТ-6: а - поверхность разрушения образца в исходном состоянии с образованием поверхностной трещины; б - в СМК-состоянии с образованием внутренней трещины и характерной для этого морфологией поверхности разрушения в виде fish-eye, в - в СМК-состоянии с образованием подповерхностной трещины Fig. 3. a) The fracture surface of the Ti6Al4V alloy sample in the initial state with the formation of a surface crack; b) the fracture surface of the Ti6Al4V sample alloy in the SMC state with the formation of an internal crack and a fracture surface morphology characteristic of this in the form of a fish-eye; c) the fracture surface of the Ti6Al4V alloy sample in the SMC state with the formation of a subsurface crack Рис. 4. S-N-диаграмма для сплава Ti45Nb, голубые круги - в крупнокристаллическом состоянии, оранжевые квадраты - в СМК-состоянии Fig. 4. The S-N diagram for the Ti45Nb alloy, the blue circles show the large crystal state, the orange squares show the SMC state 3. Методика оценки поврежденности материала в процессе усталостных испытаний по колебаниям свободного торца Колебания свободного торца образца при испытаниях будут содержать ряд гармонических составляющих: компоненты с амплитудой A1 на основной частоте ω0, амплитудой А2 второй гармоники частотой 2ω0 и т.д. Введем параметр нелинейности βe [16-18], который определяется экспериментально путем измерения абсолютных амплитуд сигналов первой А1 и второй А2 гармоник, соответствующих нелинейному закону упругости: (1) где σ - нагрузка; u - перемещение; a - пространственная координата; и - упругие коэффициенты второго и третьего порядка соответственно. Введением коэффициента нелинейности волновое уравнение может быть представлено в виде (2) где u - компонента вектора смещений в направлении a; c - продольная скорость звука; t - время. Его решение, с учетом того, что возмущение торца , будет иметь вид (3) где - волновое число. Отсюда можно выразить (4) При исследовании нелинейных явлений в режиме гигацикловой усталости с помощью измерения амплитуд основной и второй гармоник определяется относительный параметр (5) где относится к неповрежденному материалу. Увеличение βrelative с ростом усталостных повреждений сообщалось в ряде работ [15-24]. Для определения коэффициента нелинейности прологарифмируем обе части уравнения (4): (6) В работах амплитуда колебаний измеряется в децибелах в масштабах A1 = 20log(a1) и A2 = 20log(a2), тогда соотношение (4) принимает вид (7) (8) Таким образом, относительный параметр нелинейности в (5) можно найти из формулы (9) Измерение амплитуды проводилось индуктивным датчиком с частотой записи сигнала 10 МГц. Анализировались временные отрезки по 65 536 точек с частотой записи 100 кГц. Несмотря на то что процесс образования усталостной трещины носит сугубо локальный характер, образование внутренних дефектов привносит вклад в интегральные характеристики материала, такие как модуль Юнга, как это было показано в работе [28] на примере прецизионного гидростатического взвешивания образцов из титана после усталостных испытаний. Предполагается, что чувствительность индукционного датчика перемещений позволяет уловить такие изменения в амплитуде колебаний, которые могут предсказать начало зарождения трещины и позволят создать новые методики контроля и предупреждения усталостного разрушения. Изменение амплитуды второй гармоники в данной работе связывается с наличием внутренних дефектов. Резкое изменение сигнализирует о значительном изменении упругих модулей, вызванном большим дефектом, таким как трещина. Разработанная система «обратной связи» анализировала среднее значение амплитуды второй гармоники, и, если оно начинало резко увеличиваться, останавливала испытания и сигнализировала о возможном зарождении усталостной трещины. При этом большой интерес вызывал характер изменения амплитуды в самом процессе усталостного нагружения сплавов с различной структурой. Для материалов с крупнокристаллической структурой амплитуда второй гармоники в процессе испытаний выходит на стационар в начале эксперимента и 99 % всего времени значительно не изменяется. На заключительном этапе испытаний (рис. 5), когда появляется очаг трещины, амплитуда второй гармоники претерпевает резкие изменения и начинает лавинообразно расти с образованием и ростом усталостной трещины. На некоторых образцах наблюдалось монотонное изменение амплитуды второй гармоники перед лавинообразным ростом с формированием трещины (рис. 6). Данное изменение может быть связано как с изменением внутренней структуры, которая формирует трещину, так и с линейным расширением материала вследствие увеличения температуры в процессе испытаний. Рис. 5. Амплитуда второй гармоники (в относительных единицах) при испытаниях сплава Вт-6 в исходном состоянии, при образовании поверхностной трещины σ = 490 МПа, число циклов до разрушения N = 9,05·105 Fig. 5. The amplitude of the second harmonic (in relative units) when testing the Ti6Al4V alloy in the initial state, with the formation of a surface crack σ = 490 MPa, the number of cycles to failure is N = 9.05 * 105 Рис. 6. Амплитуда первой гармоники (левая шкала) и амплитуда второй гармоники (правая шкала) в относительных единицах при испытаниях сплава образца Ti45Nb в крупнокристаллическом состоянии σ = 155 МПа, число циклов до разрушения N = 2,11·107 Fig. 6. The amplitude of the first harmonic (left scale) and the amplitude of the second harmonic (right scale) when testing the Ti45Nb alloy in the coarse-crystalline state σ = 155 MPa, the number of cycles to failure is N = 2.11 * 107 При длительных испытаниях материалов с мелкозернистой структурой на некоторых образцах наблюдалось значительное изменение амплитуды второй гармоники в процессе испытаний, как, например, на образце № 12 Ti45Nb в СМК-состоянии (рис. 7). Такое поведение можно связать с релаксацией остаточных внутренних напряжений в материале, вызванных интенсивной пластической деформацией. Данный эффект для материалов с наноструктурным состоянием под действием малых циклических нагрузок был продемонстрирован в работе [29]. Подобные проявления в закономерностях изменения амплитуды второй гармоники наблюдаются в предварительно нагруженных материалах [30]. Рис. 7. Амплитуда первой гармоники (левая шкала) и амплитуда второй гармоники (правая шкала) при испытаниях сплава образца Ti45Nb в СМК-состоянии σ = 290 МПа, число циклов до разрушения N = 1,2·108 Fig. 7. The amplitude of the first harmonic (left scale) and the amplitude of the second harmonic (right scale) when testing the Ti45Nb alloy in the SMC state σ = 290 MPa, the number of cycles to failure is N = 1.2 * 108 Применение разработанной методики и системы обратной связи позволило остановить усталостные испытания в момент, когда внутренняя трещина уже зародилась, но еще не вышла на поверхность. Для этого образцы снимались с испытаний при обнаружении лавинообразного роста амплитуды второй гармоники и исследовались в рентгеновском томографе. Так, в образце Ti45Nb в крупнокристаллическом состоянии, нагруженном с амплитудой σ = 195 МПа (число циклов до разрушения N = 5,2·108), была обнаружена трещина, которая еще не вышла на поверхность (рис. 8). Изменение амплитуды в момент времени 1,58·104 связано с временной остановкой эксперимента. Данный результат позволяет разделять стадию формирования и распространения усталостной трещины в гигацикловом режиме нагружения, что позволит модифицировать кинетические уравнения для роста и зарождения усталостных трещин в сверхмногоцикловом диапазоне. В некоторых случаях наблюдалось одновременное изменение амплитуды как первой, так и второй гармоник колебаний в процессе испытаний, связанное со значительным изменением температуры образца. При этом линейное расширение материала приводило к таким параметрам нагружения, когда система начинала выходить из резонанса, что приводило к большим помехам в исследуемых сигналах. Для нивелирования указанной проблемы в дальнейших исследованиях будет применена система охлаждения с обратной связью. а б Рис. 8. а - Амплитуда первой гармоники (левая шкала) и амплитуда второй гармоники (правая шкала) при испытаниях сплава образца Ti45Nb в крупнокристаллическом состоянии; б - изображение среза в Y-Z-проекции, полученное на рентгеновском томографе Fig. 8. a) The amplitude of the first harmonic (left scale) and the amplitude of the second harmonic (right scale) when testing the Ti45Nb alloy in a coarse-crystalline state; b) the image of the slice in the Y-Z projection obtained using an x-ray tomograph Заключение В настоящей работе описана экспериментальная методика оценки надежности сверхмногоциклового нагружения с применением методики in situ определения накопления необратимых усталостных повреждений, основанной на анализе нелинейных проявлений сигнала обратной связи в замкнутой системе ультразвуковой усталостной установки, которая позволила разделить стадии зарождения и роста усталостной трещины в сверхмногоцикловом диапазоне и установить связь микроскопических механизмов усталости с модельными представлениями. Отсутствие увеличения усталостных характеристик сплава ВТ-6 при формировании ультрамелокзернистой структуры объясняется высокими внутренними остаточными напряжениями, вызванными интенсивной деформацией при формировании структуры. Это подтверждается наличием большого числа подповерхностных трещин в сверхмногоцикловом диапазоне нагружения и характерным монотонным изменением амплитуды второй гармоники, связанной с релаксацией напряжений в процессе длительных циклических испытаний с малыми амплитудами нагружения. Установлены различные закономерности изменения амплитуды второй гармоники у образцов с крупнокристаллическим и субмикрокристаллическим состоянием, которые связаны с различными механизмами перераспределения деформаций внутри материала. Так, у крупнокристаллических наблюдалось незначительное изменение амплитуды второй гармоники в процессе испытаний, тогда как у образцов, подвергнутых интенсивной пластической деформации, наблюдались значительные монотонные изменения таковой, которые могут быть связаны с перераспределением внутренних напряжений. Анализ колебаний свободного торца в процессе сверхмногоцикловых испытаний позволяет разделить стадию зарождения усталостной трещины в сверхмногоцикловом диапазоне от стадии ее распространения. Это позволит на основе фрактографии поверхности разрушения и данных о количестве циклов, необходимых для достижения трещиной определенных стадий предложить кинетическое уравнение роста усталостных трещин в сверхмногоцикловом диапазоне с учетом масштабных параметров.

Об авторах

М. В Банников

Институт механики сплошных сред УрО РАН

В. А Оборин

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Д. А Билалов

Институт механики сплошных сред УрО РАН

О. Б Наймарк

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 536

PDF (Russian) - 432