Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор исследований в области фрактального анализа структур и испытаний материалов с модифицированными поверхностными слоями . 15
1.1. Общие сведения о геометрических фракталах и фрактальной размерности. 16
1.1.1. Фрактал и фрактальная размерность. 16
1.1.2. Мультифрактальные характеристики. 18
1.1.3. Фрактографические методы фрактального анализа статистически - самоподобных структур, экспертная (визуальная) идентификация . 24
1.1.3.1 Метод островов среза. 25
1.1.3.2 Фурье - анализ профилей. 25
1.1.3.3 Метод вертикальных сечений. 27
1.1.3.4. Метод преобразования подобия. 28
1.1.3.5. Использование фрактальных характеристик для анализа развития разрушения. 31
1.2. Модифицирование поверхности материала в результате его упрочнения. 32
1.2.1. Генерация ударной упрочняющей волны. 36
1.2.2. Остаточные напряжения после лазерного упрочнения. 39
1.2.3. Остаточные напряжения и поглощающие покрытия. 40
1.2.4. Размеры лазерного импульса и распространение ударной волны. 42
1.2.5. Влияние интенсивности лазерного упрочнения на распределение остаточных сжимающих напряжений. 43
1.2.6. Влияние на остаточные напряжения повторного лазерного упрочнения.
1.2.7. Лазерное упрочнение поверхности тонких сечений. 45
1.2.8. Влияние лазерного упрочнения на усталостные характеристики материала. 46
1.2.9. Электроэрозионное воздействие. 49
1.3. Роль фреттинга в накоплении усталостных повреждений металлом. 53
1.4. Синергетическое описание роста усталостных трещин. 60
ГЛАВА 2. Методика проведения исследования . 70
2.1. Методика фрактальной параметризации рельефа излома. 70
2.2. Методика исследования образцов, упрочненных лазерным способом. 80
2.2.1 Материал и вид образцов. 80
2.2.2. Испытания при четырехточечном изгибе образцов из сплава 2024-Т351. 83
2.3. Методика исследования образцов после дробеструйной обработки их поверхности с повреждениями от фреттинга. 84
2.3.1 Материал и вид образцов. 84
2.3.2. Упрочнение образцов. 85
2.3.3. Испытания при растяжении упрочнённых образцов из сплава BSL65. 85
2.4. Методика исследования образцов с электроэрозионными повреждениями поверхности. 88
2.4.1 Материал образцов. 88
2.4.2. Испытания образцов из сплава ЭИ-698 при трехточечном изгибе. 90
2.5. Анализ и обработка результатов исследования. 93
2.5.1. Методика проведения фрактографического анализа. 93
2.5.2. Методика получения кинетической диаграммы роста трещин и поправочных функций. 95
ГЛАВА 3. Влияние лазерного упрочнения на усталостную прочность сплава 2024т351 (аналог д16т). 103
3.1. Остаточные напряжения и шероховатость поверхности. 103
3.2. Усталостные кривые. 106
3.3. Фрактографические исследования. 110
3.4. Кинетика роста трещин после лазерного упрочнения образцов. 114
3.5. Фрактальный анализ. 123
ВЫВОДЫ по главе 3 132
ГЛАВА 4. Анализ результатов усталостных испытаний образцов с нанесёнными на них фреттинговыми повреждениями . 135
4.1. Макро- и микроанализ разрушенных в процессе испытания образцов. 136
4.2. Фрактальный анализ. 149
4.3 Анализ долговечности и живучести образцов. 164
4.4. Анализ кинетики роста усталостных трещин . 174
Выводы по главе 4 185
ГЛАВА 5. Влияние электроэрозионных повреждений поверхности турбинных дисков и дефлекторов на долговечность . 187
5.1. Динамика нанесения повреждения во время электроэрозионной обработке. 189
5.2. Результаты металлографических и фрактографических исследований . 190
5.3. Фрактальный анализ. 195
5.4. Экспериментальное исследование влияние повреждения на долговечность образцов. 200
Выводы по главе 5. 207
Общие выводы 208
Литература
- Фрактографические методы фрактального анализа статистически - самоподобных структур, экспертная (визуальная) идентификация
- Испытания при четырехточечном изгибе образцов из сплава 2024-Т351.
- Анализ кинетики роста усталостных трещин
- Результаты металлографических и фрактографических исследований
Введение к работе
Зарождение усталостных трещин в элементах конструкций в процессе эксплуатации происходит по разным причинам и в большинстве случаев связано с возникновением трещин на поверхности детали. Поверхностный слой металла, в котором достигается предельное состояние элемента конструкции в эксплуатации, в частности, воздушного судна (ВС) гражданской авиации, представляет собой зону, через которую металл осуществляет непрерывный обмен энергией с окружающей средой под действием циклической нагрузки.
Среди разных критериев достижения предельного состояния материалом -предел усталости, выносливости и усталостная долговечность используют для характеристики поведения наибольшего числа элементов конструкций. Предельное состояние при том или ином числе циклов нагружения характеризуют кривой усталости или распределением предела выносливости [1]. Используя эти кривые, устанавливают абсолютное значение напряжения цикла, при котором ещё не про-
7 Я
исходит усталостное разрушение до базы испытаний 10 - 10 циклов, если речь идёт об области многоцикловой усталости (МНЦУ). Используют также и ограниченный предел выносливости, соответствующий задаваемой циклической долговечности.
Уровень напряжения ниже предела усталости, gw2, используют для определения допустимого периода эксплуатации без разрушения и даже зарождения усталостной трещины для многих элементов конструкций в области многоцикловой усталости (МНЦУ), когда количество циклов нагружения превышает 107 циклов. Естественно, что, если при достижении указанной наработки изделия не произошло его разрушения, то возникает задача о возможном продлении срока службы, поскольку предел циклической долговечности не достигнут, если считать, что возникновения усталостной трещины и её подрастания ещё не произошло.
Модифицирование поверхностных слоев путём их упрочнения влияет на достижение предельного состояния материала в поверхностном слое [2-8]. Поэтому от качества модифицирования поверхности, внедряемых новых методов
7 модификации и методов оценки состояния металла в поверхностном слое зависит достоверность оценки срока безопасной эксплуатации изделия.
Усталостное разрушение металла рассматривалось до настоящего времени в рамках традиционных подходов термодинамики. Были написаны уравнения сохранения энергии, на основании которых предельное состояние при разрушении рассматривается, как критическое накопление уровня энергии в замкнутой системе. Однако именно металл, имея свободную поверхность, через которую происходит взаимодействие (обмен) с окружающей средой, является открытой системой, для которой процесс эволюции является нелинейным [9-11]. Он должен быть охарактеризован через соответствующие нелинейные уравнения, которые введены в синергетике, науке, занимающейся изучением эволюции открытых систем, находящихся вдали от равновесия [9,10,12].
Изменилось понимание того, каким образом в металле зарождаются усталостные трещины. Появилось представление о новой области разрушения - сверх-многоцикловая усталость (СВМУ), когда при возрастании числа циклов нагруже-ния вплоть до 10 начали наблюдать разрушение металла, которое происходило под поверхностью образца [13-14]. Поверхность металла в этой области разрушений перестала быть тем источником накопления повреждений, который определял его циклическую долговечность. Оказалось, что сложившееся традиционное представление о пределе усталости материала, которое характеризовало возможности эксплуатации конструкции длительное время, потеряло свой смысл. Металл разрушается при уровне напряжения ниже предела усталости. Причём это происходит иначе, чем это ранее наблюдалось - под поверхностью.
Переход к пониманию того, что металл под действием циклической нагрузки представляет собой открытую систему, которая непрерывно обменивается энергией с окружающей средой в процессе эволюции её состояния, привёл к введению новых критериев оценки, как процессов эволюции, так и критических состояний в связи со сменой механизмов накопления повреждений в поверхностном слое [11,15-17]. Принципиальным следует считать вопрос о нелинейности процессов накопления повреждений в открытых системах, которые могут быть реализо-
8 ваны на разных масштабных уровнях [19-22]. В зависимости от стадии эволюционного процесса (например, до или после зарождения трещины) металл устойчиво реализует определённый механизм разрушения в пределах между двумя соседними критическими (дискретно меняющимися) состояниями, являющимися положениями неустойчивости (точки бифуркации). В момент неустойчивости возможно многообразие путей дальнейшего поведения металла в зависимости от способа и условий подвода энергии к нему. Возможно одновременное существование двух процессов эволюции, присущих открытой системе до и после перехода через точку бифуркации. Однако в пределах между двумя критическими точками, отвечающими предельному уровню поглощённой и диссипированной энергии для определённого механизма эволюции, открытая система изменяет своё состояние только тем способом, реализует только тот механизм эволюции, который присущ данной системе. Переходы через критические точки происходят самоорганизо-ванно, если внешние условия воздействия не повлияли на последовательность возможных переходов в смене процессов эволюции. Поэтому к одному и тому же способу эволюции можно многократно возвращаться в результате изменения условий подвода энергии к системе, тем самым, управляя поведением системы, не давая ей возможности достичь предельного состояния, за которым она теряет свою устойчивость в связи с утратой способности сопротивляться внешнему воздействию.
Модифицирование поверхностных слоев позволяет в значительной степени изменить процесс самоорганизации металла при накоплении повреждений в поверхностном слое, не только ускоряя или замедляя этот процесс, но и влияя на расположение зоны зарождения трещины на или под поверхностью. Фактически возникает новое направление в физике металлов, связанное с исследованием поведения металла после модификации поверхностного слоя в области его неустойчивости - вокруг точки бифуркации, которая отвечает ранее введённому представлению о «пределе усталости» металла.
Нелинейный процесс накопления повреждений, развитая пространственная структура модифицированного поверхностного слоя, а также формируемая в про-
9 цессе роста трещины морфология рельефа излома - отражают процессы самоорганизации металла на разных масштабных уровнях, как открытой системы. Формируемые самоподобные объекты - структурные элементы, элементы рельефа излома отражают нелинейность процессов эволюции, реализуемых металлом в процессе его эволюции под действием циклической нагрузки.
В связи с этим возникла необходимость ввести для описания поведения металла не только масштабную иерархию процессов эволюции, но использовать нелинейную параметризацию формируемых структур в процессе эволюции на основе фрактального анализа. Многомасштабность одновременно протекающих процессов эволюции металла приводит к необходимости мультифрактальной параметризации всей анализируемой структуры. Рассматривая масштабные уровни эволюции, и вводя границы масштабов по тем или иным критериям, оказалось возможным, например, характеризовать различия в процессах накопления повреждений и разрушения при формировании очага разрушения в разных областях усталости - МНЦУ или СВМУ. Оказалось возможным более детально проводить параметризацию изломов и разделять по стадиям процессы эволюции металла.
Возникновение повреждений материала в зонах номинально неподвижных соединений является частным случаем модифицирования поверхностных слоев, которое реализуется в процессе эксплуатации авиационных конструкций. Возрастающие уровни напряжения и сроки эксплуатации определяют необходимость изучения процесса накопления повреждений в результате возникновения фрет-тинг-коррозии, как процесса инициирующего возникновение усталостных трещин. Вместе с тем, как показывает практика, этап развития трещин оказывается не свободным от влияния фреттинга. С одной стороны, это связано с тем, что продукты локального повреждения проникают в трещину и способствуют контактному взаимодействию её берегов. С другой стороны, наличие контактирующих деталей создаёт сложное напряжённое состояние в объемах металла, прилегающих к зоне контакта. В них реализуется первоначальное распространение трещины в условиях одновременно реализуемого растяжения и сдвига материала. Сама зона накопления повреждений оказывается замкнутой по отношению к
10 внешней среде. Удаление вершины трещины из зоны контакта сопровождается
изменением напряжённого состояния в направлении развития разрушения, что требует введения нелинейных поправок в описании кинетики усталостных трещин.
Наличие упрочняющей дробеструйной обработки (ДО) поверхности приводит к возникновению усталостной трещины под поверхностью не только в области СВМУ, но и в области МНЦУ [23-27]. Металл становится частично замкнутой системой, в которой распространение трещины реализуется длительное время без выхода на поверхность. Возникновение контактных напряжений по упрочнённой поверхности создаёт предпосылки для изменения условий зарождения трещины. Сохранение условий частичной замкнутости металла по отношению к окружающей среде в зоне контакта, где зарождается трещина, оказывается промежуточной ситуацией, когда накопление повреждений альтернативно может иметь место, как с поверхности, так и под поверхностью металла.
Использование нового технологического процесса модифицирования поверхностных слоев металла в виде его лазерного упрочнения приводит к изменению распределения остаточных напряжений в поверхностном слое металла по сравнению с дробеструйным упрочнением поверхности [28-29]. При разном распределении остаточных напряжений, разной интенсивности агрессивного воздействия окружающей среды в модифицированном слое долговечность образцов может существенно отличаться при одном и том же уровне циклического нагруже-ния [30-31].
Таким образом, возникла необходимость разработки математических моделей, в том числе и на основе представлений о фрактальной структуре геометрических и физических объектов [32-38], для анализа процессов разномасштабной самоорганизации открытых систем, к которым относится металл с распространяющейся в нём усталостной трещиной.
В представленной работе, исследуется физика протекания процессов зарождения и роста усталостной трещины в сложных условиях взаимодействия внешней среды с материалом с модифицированным поверхностным слоем. Была по-
ставлена задача, обнаружить и исследовать, в том числе используя методику, основанную на фрактальном анализе [34,39-40], те факторы, которые оказывали решающие значение на поведения материала. Выполненные испытания по малому количеству образцов не позволяют выдвигать «глобальные» формулы, описывающие поведение материала под воздействием столь сложных влияний состояния материала и внешних условий нагружения материала на распространение усталостной трещины. Однако удалось при комплексном исследовании выявить физику процессов протекающих в материале при данных условиях и разработать комплекс программ и методические приемы, позволяющие получить фрактально
- кинетические характеристики процесса усталостного разрушения.
В связи с изложенным была сформулирована следующая цель работы. Цель работы - разработка математической модели фрактальной параметризации рельефа с учётом масштабной иерархии процессов самоорганизации усталостного разрушения и исследование на её основе роли модифицированных слоев в усталостной прочности сплавов 2024-Т351, BS L65 и ЭИ-698 соответственно после лазерного, дробеструйного упрочнения с фреттинговыми повреждениями, и с электроискровыми повреждениями.
Для достижения этой цели в работе поставлены следующие основные задачи:
разработать методику определения фрактальных характеристик рельефа усталостного излома материалов, проводя селекцию информации по масштабным уровням;
разработать комплекс программ, для получения фрактально-кинетических характеристик усталостного разрушения;
провести исследование влияния лазерного упрочнения поверхности алюминиевого сплава 2024-Т351 на его фрактальные и усталостные характеристики;
изучить фрактальные характеристики очагов фреттинговых повреждений поверхности после дробеструйной модификации поверхностных слоев алюминиевого сплава BS L65 и выявить роль повреждений в зарождении и распространении усталостных трещин;
- на основе синергетического анализа определить поправочные функции для
математического моделирования распространения усталостных трещин в сплавах 2024-Т351, BS L65 и ЭИ-698 с модифицированными слоями;
- определить влияние модифицирования поверхности деталей из жаропрочного
сплава ЭИ698 после электроэрозионного разряда на их усталостную прочность.
Научная новизна работы.
Разработаны математическая модель и методика фрактальной и фрактально-спектральной параметризации рельефа изломов, позволяющая выявлять масштабный уровень доминирующего механизма разрушения металла. Разработан комплекс программ, позволяющий повысить достоверность оценки кинетических параметров роста усталостных трещин. Выявлен самоорганизованный переход в зарождении усталостных трещин в сплаве 2024-Т351 после лазерного упрочнения и предложен критерий разделения усталостных кривых в области бифуркационного перехода от многоцикловой усталости, когда очаг усталостной трещины находится на поверхности образца к сверхмногоцикловой усталости, где очаг располагается под поверхностью, основанный на математико-фрактальной параметризации очагов разрушения. Показана зависимость фрактальных характеристик очагов усталостного разрушения алюминиевого сплава BS L65 от доминирующего механизма фреттингового повреждения поверхности в условиях сложного напряжённого состояния материала.
Научная и практическая значимость.
Разработаны математическая модель и методика фрактальной параметризации рельефа поверхности разрушения с учётом масштабной иерархии процессов роста трещин.
Методика фрактальной параметризации рельефа излома внедрена в Госцентре безопасности полётов при проведении исследований причин отказов объектов авиационной техники и в учебном процессе «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э.Циолковского.
13 Установлены кинетические закономерности разрушения сплавов 2024-
Т351, BS L65 и ЭИ-698 соответственно после лазерного, дробеструйного упрочнения с фреттинговыми повреждениями, и с электроискровыми повреждениями. На основе сииергетического анализа и математического моделирования роста трещин определены поправочные функции в расчёте эквивалентного коэффициента интенсивности напряжений, описывающие влияние модифицированных слоев на распространение усталостных трещин в сплавах 2024-Т351, BS L65 и ЭИ-698. Предложена формула поправочной функции для упрочненного алюминиевого сплава BS L65 при усталостном испытании с нанесением фреттинговых повреждений.
Полученные соотношения между периодом роста усталостной трещины и долговечностью образцов при различных условиях модифицирования поверхностных слоев могут быть использованы для разработки метода диагностики усталостного разрушения элементов конструкций. Результаты фрактографического исследования сплава ЭИ-698 позволили обеспечить принцип безопасной эксплуатации дисков и дефлекторов турбин двигателя НК8-2у с нанесёнными на них электроэрозионными повреждениями.
На защиту выносятся следующие положения.
Математическая модель и методика получения общей фрактальной размерности и спектра фрактальных размерностей по двум взаимно перпендикулярным направлениям участка анализируемого излома.
Комплекс программ и методические приемы, позволяющие получить фрактально - кинетические характеристики процесса усталостного разрушения.
Фрактальные, фрактографические и кинетические характеристики усталостных разрушений сплавов BS L65, 2024-Т351 и ЭИ-698 с фреттинговыми повреждениями по дробеструйно упрочнённой и не упрочнённой поверхности, по упрочнённой лазером поверхности и после повреждения от электроискрового разряда.
Поправочные функции в расчёте эквивалентного коэффициента интенсивности напряжений, описывающие влияние модифицированных слоев на распространение усталостных трещин в сплавах 2024-Т351, BS L65 и ЭИ-698.
Закономерности влияния электроэрозионных повреждений на безопасную эксплуатацию турбинных дисков и дефлекторов двигателя НК-8-2у.
Фрактографические методы фрактального анализа статистически - самоподобных структур, экспертная (визуальная) идентификация
Одним из методов изучения самоподобия исследуемого объекта, в том числе стохастически, является аппроксимация структуры с помощью визуально подобными или топологически эквивалентными предфракталами определенного поколения [6]. Визуализацию структур осуществляют либо непосредственно, либо по фотографиям, полученным с помощью оптического или электронного микроскопа.
Одним из примеров аппроксимации природного фрактала, получаемой с помощью покрытия объекта, - дисперсно-наполненный композит аппроксимируемой структуры на базе ковра Серпинского с фрактальной размерностью D=ln8/ln3.
Однако большинство реальных структур, имеет не дискретный спектр фрактальных размерностей. В этом случае можно использовать рекуррентные процедуры построения аппроксимирующих решеток, в которых на каждом шаге масштабных преобразований структурные параметры с вероятностью р; принимают одно из возможных значений, а условием нормировки является
В результате можно получить непрерывный спектр фрактальных размерностей в определенном интервале.
Фрактографические (металлографические) исследования (анализ рельефа излома) являются наиболее прямыми методами определения фрактальной размерности статистически-самоподобных профилей и поверхностей природных объектов. Среди них наиболее широкое распространение получили три метода: 1) метод островов среза; 2) фурье-анализ профилей; 3) метод вертикальных сечений; 4) метод преобразования подобия.
Впервые в материаловедении исследование локальных свойств самоподобия поверхности изломов металлов было выполнено этим методом Ман-дельбротом и др. [18]. Поверхности изломов образцов из нержавеющей высокопрочной мартенситно-стареющей стали-300 покрывали никелем (иногда использовали серебро, компаундом или пластик) и подвергали полировке в плоскости, параллельной поверхности излома. Метод стал называться - метод островов среза (МОС). При этом выявлялись "острова" стали, окруженные "озерами" никеля. Картину "островов-озер" исследовали с помощью анализатора изображений, позволяющего определить площадь и периметр островов, окружающих материалом покрытия. Иногда выполняют дополнительные измерения периметров и площадей "озер" покрытия на фоне "островов" основного материала.
Описанная процедура фактически соответствует переходу от сложной поверхности разрушения к плоскостной структуре самоподобных "береговых линий", образующихся при пересечении поверхности горизонтальной плоскостью и имеющих фрактальную размерность: D=Df-\ (1.13)
В соотношении (1.13) Df - фрактальная размерность поверхности разрушения. Для практического определения величины Df используется особенность соотношения периметра и площади фрактальных замкнутых кривых на плоскости.
Известно, что для каждого семейства плоских евклидовых фигур одинаковой формы отношение периметра «Р» к квадратному корню из охватываемой площади «S» не зависит от размера фигуры. Согласно Мандельброту [10], для 1 /2 фрактальных замкнутых кривых отношение P(8)IS(8) следует заменить выражением. KD=P(S)UDf /S(5)U2,
(1.14) где Df - фрактальная размерность очертаний ("береговых линий") фигур. Отношение зависит от длины эталона 5, с помощью которого проводят измерения, но не зависит от размера фигуры. Мандельбродом было показано, что если длина эталона выбрана достаточно малой для удовлетворительного измерения самого малого из подобных островов, то выполняется следующее соотношение между периметром и площадью: EL P(S) = cSl- S(S)2 (1.15)
Это соотношение используется при экспериментальном анализе фрактальной размерности поверхности методом островов среза, а также во многих других случаях.
Результаты измерений МОС фрактальной размерности изломов с характерными фрактографическими особенностями показали [19], что Df поверхности вязкого излома существенно превышает соответствующую размерность хрупкого (типа скола) излома. В случае межзеренного разрушения наблюдался разброс данных, при этом величина Df не зависела от характеристик микроструктуры материала. В целом величина измеренной фрактальной размерности находилась в пределах 2,668-2,957.
Испытания при четырехточечном изгибе образцов из сплава 2024-Т351.
Испытания образцов представляли собой усталостное нагружение с циклом сжатие-растяжение при постоянном уровне давления прижима накладки к образцу, с помощью которой воспроизводили в его срединной части фреттинговое повреждение поверхности, Рис. 2.9. Значение постоянного давления накладки на каждый образец было разным, и оно варьировалось от 10 до 120 МПа.
Имитацию фреттинга проводили с помощью накладки изготовленной из стали S98. Накладка имела две прямоугольное площадки контакта шириной 1.27мм и высотой 1 мм. Ширина площадки контакта равна ширине образца в 8 мм. Геометрические размеры образцов и накладки приведены на Рис. 2.10.
В процессе испытания фиксировались изменения уровня нагрузки от осевого усилия на образец, и одновременно фиксировалась сила, действующая на накладку в осевом направлении под влиянием трения между образцом и накладки. Данные измерения проводились для одиночных циклов нагружения, и поэтому измерения повторялись через фиксированное количество циклов (10000 циклов или 15000 циклов) в процессе испытания. Проведённые измерения позволили получить петли гистерезиса в запаздывании максимумов и минимумом осевой нагрузки и перемещений накладки вместе с образцом по отношению к осевому усилию, Рис. 2.11.
Выполненные измерения позволили по трансформации петель гистерезиса проследить изменение силы трения между накладкой и образцом в зависимости от осевого усилия в процессе испытания и получить данные об изменении минимального и максимального значения силы трения, а также смещения накладки относительно образца в процессе испытанием.
Для получения дополнительной информации из эволюции формы петель гистерезиса была разработана программа, которая позволила проследить не только изменения уровня максимального и минимального значения силы трения, но и получить площадь петель гистерезиса.
Программа написана на языке «Паскаль» и позволяет получить значения площади гистерезиса как для отдельного цикла нагружения, так и совокупную площадь по всем фиксированным циклам. Разработанный алгоритм программы потребовал решения следующих проблем: автоматическое определение начала и конца цикла нагружения; в процессе записи одиночного цикла фиксировался не только полностью один цикл нагружения, но и начало следующего; автоматическое определение верхней и нижней части гистерезиса.
Таким образом, после проведения испытаний образцов до их разрушения были получены данные о количестве циклов, которые выдержал образец и построены зависимости накапливаемой энергии в зоне нанесения контактных повреждений от количества циклов нагружения при разном уровне давления накладки.
Три диска с общей наработкой в эксплуатации 12526-14285 часов, включавшей 3752-4066 часов после последнего ремонта, с нанесенными в процессе ремонта электроэрозионными повреждениями на поверхности отверстий под вал двигателя, были использованы для детального исследования характера наносимых повреждений и проведения испытаний образцов с этими повреждениями. Первоначально из дисков и дефлекторов вырезались стандартные образцы в зонах, удалённых от повреждений, с целью подтверждения соответствия механических характеристик тем, что заданы условиями на изготовление дисков. Испытания гладких образцов на растяжение, вырезанных из двух дисков и дефлектора, показали, что сплав имеет предел прочности и текучести 1250-1350 МПа и 750-850 МПа соответственно.
Подробное металлофизическое исследование характера повреждения материала дисков было осуществлено на фрагментах, которые были вырезаны из дисков, наработавших в эксплуатации 1170, 2530 и 4066 часа. Помимо этого, аналогичные исследования зон повреждения были проведены в очаговых зонах усталостного разрушения испытанных образцов. Все исследования выполнены на световом микроскопе фирмы Райхерт «MeF-2» и растровом электронном микроскопе фирмы «Zeiss».
Для исследования влияния повреждений на усталостные характеристики материала детали было вырезано несколько образцов из зон с разной интенсивностью повреждений деталей. Интенсивность повреждений оценивалась визуально по размеру зоны повреждения. Образцы изготавливали таким образом, чтобы зона повреждения находилась в центре поверхности, где создаются максимальные растягивающие напряжения при изгибе в процессе проведения испытаний.
Повреждения располагались по поверхности отверстий под вал в ступичной части диска и дефлектора. Поэтому образцы, вырезанные из ступичной части деталей, имели дугообразную форму. Для соблюдения, качественно, подобия по напряжённому состоянию материала образцов было учтено различие в размерах повреждений путём изготовления образцов из деталей с разными размерами сечений. Всё это привело к тому, что образцы для испытаний имели ширину 8, 14 и 18мм, с учетом размера повреждения большая ширина для большего размера повреждения, и высоту 14, 18 и 20мм соответственно.
Испытания проведены на изгиб при трапецеидальной форме цикла нагружения, которая наиболее приближена к форме цикла эксплуатационного нагружения дисков за полетный цикл. Расстояние между опорами при изгибе образца составило 55мм, Рис.2.13.
В условиях эксплуатации уровень напряжения в дисках в зоне наносимых повреждений не превышает 500 МПа, согласно расчетам МКЭ, проведённым на Казанском моторостроительном объединении. Вместе с тем, предварительные испытания образцов показали, что в области малоцикловой усталости для исследуемого никелевого сплава при треугольной форме пульсирующего цикла нагружения при напряжении 700 МПа долговечность гладкого образца без повреждения составляет около 105 циклов. Эта характеристика снижается пренебрежимо мало при реализуемой в эксплуатации температуре не более 300С в зоне наносимых повреждений. При трапецеидальной форме цикла период испытания образцов от повреждения мог быть очень длительным даже при напряжении 700 МПа. Поэтому была разработана методика ступенчатого нагружения образцов с целью снижения длительности проведения испытаний.
Анализ кинетики роста усталостных трещин
По методике, описанной выше во второй главе диссертации, были построены кинетические кривые роста усталостных трещин образцов с учетом изменения формы трещины в процессе развития разрушения. Сравнивая полученные результаты с единой кинетической кривой (ЕКД), были построены графики изменения поправочных функций в связи с изменением коэффициента интенсивности напряжения.
Во всех трех случаях для разных видов образцов - НУП, УПР, и УПРП наблюдаются одинаковые закономерности в распространении трещины по мере увеличения давления контактирующей накладки с поверхностью образца, Рис. 4.20. Первоначально до шага бороздок около 7.1 О 8 м выявлено удовлетворительное совпадение результатов измерений с данными по описанию роста трещины на основе ЕКД. Применительно к расстоянию от поверхности это соответствует глубине (длине) трещины 3-4мм для разных образцов. Далее, после 5мм, наблюдается переход к устойчивому изменению шага усталостных бороздок с эквидистантным смещением реализованной кинетической кривой относительно ЕКД в сторону меньших коэффициентов интенсивности напряжений (КИН). Наблюдаемое явление соответствует области скоростей роста трещины, характеризуемых шагом усталостных бороздок более 0.1 мкм (10"7 м). В случае НУП при давлении накладки 10 и 80 МПа в зоне нанесения фреттинг-повреждения уменьшение КИН характеризует поправочная функция 1.2. При давлении 10 МПа, далее, в области шага усталостных бороздок более (1-2). 10" м наблюдается переходный участок, где зна чение поправочной функции (ПФ) достигает 1.5, а при переходе к скорости около 2.10"7 м значение ПФ дискретно снижается до 1.4. В случае давления 80 МПа общая тенденция сохраняется, но величины ПФ существенно ниже и составляют по участкам 1.2 и 1.1 соответственно. Полученные различия в поправках следует относить к форме сопоставляемых трещин. Их влияние на полученный результат определяет расхождение в величинах ПФ.
В случае давления 80 МПа форма трещины в большей мере соответствует сквозной, хотя при достижении длины около Змм в срединной части образца произошла смена в условиях роста трещины (см. Рис. 4.7). На изломе выявлено дискретное возрастание макроскопически наблюдаемой шероховатости с формированием «волнообразного» рельефа, что обусловило контактное взаимодействие берегов трещины, которое повлияло на её развитие, затормаживая процесс разрушения. На это указывают продукты контактного взаимодействия в виде сферических частиц. Этим объясняется незначительное отклонение экспериментально полученных данных по шагу бороздок от ЕКД.
В случае давления 10 МПа, например, для образца под номером 116 трещина распространялась из срединной части поверхности образца в зоне контакта с накладкой. Распространение трещины на начальном этапе происходило почти симметрично относительно очага разрушения с формированием полуэллиптической формы фронта трещины при доминировании развития в глубину по высотному направлению. Нестабильное разрушение началось сразу же после того, как фронт трещины подошёл к боковым поверхностям образца. В результате максимальная длина от очага до участка начала нестабильного роста усталостной трещины соответствовала 5 мм.
В процессе формирования усталостных бороздок произошло ускорение роста трещины в интервале длины 1-2мм в результате одновременного влияния двух факторов. Процесс фреттинга ещё ускорял рост трещины около поверхности на её глубине 1-2мм, а напряжённое состояние в вершине трещины уже в большей мере определялось взаимодействием статической сжимающей нагрузки от давления прижимного устройства и циклической растягивающей нагрузкой.
Образец под номером 113 также испытывался при давлении накладки равной 10 МПа. Очаг трещины был расположен на расстоянии около 2 мм от боковой поверхности образца, и вначале форма трещины соответствовала полуэллиптической. Однако на длине трещины около 1.5 мм в глубину образца поверхностная трещина вышла на боковую сторону. В результате, на расстоянии 4 мм от очага форма трещины стала соответствовать уголковому типу. Критический рост усталостной трещины начинается на расстоянии 9мм от очага.
Для образцов УПР и УПРП тенденция влияния фреттинга и напряжённого состояния образца на рост трещины оказалась аналогичной, но значения ПФ получены иные. На начальном этапе до шага бороздок вплоть до 10" м значение поправочной функции составило около 1.05. На втором этапе изменение значения ПФ составило 1.2-1.6. Характерно, что минимальное значение ПФ получено при 80 МПа, а наибольшее при ЮМПа. Отличие в ПФ для полированных и неполированных образцов непринципиально - 1.3, 1.25, соответственно. При 10 и 120 МПа значения ПФ близки и составили 1.5, 1.6. Причём максимальное значение 1.6 соответствует ЮМПа для образца УПР.
Полученные результаты отражают общую тенденцию роста трещин в испытанных образцах независимо от состояния их поверхности при контактном взаимодействии в зоне фреттинга с накладкой. Развитие трещин происходило первоначально, как уголковых или чисто поверхностных с доминирующим направлением по высоте. Как только фронт трещины выходил на обе поверхности, или, первоначально, доминировал рост вдоль одной поверхности (уголковая форма), а далее фронт трещины подходил к другой боковой поверхности образца, так сразу наступала нестабильность развития разрушения.
Результаты металлографических и фрактографических исследований
Проведённый анализ эволюции упрочняющей фазы в зоне нанесённого повреждения показал, что формируются участки структуры, сочетающие разряжения по плотности распределения упрочняющей фазы, включающие в себя участки с почти полной гомогенизацией материала из-за различной степени перегрева материала, и участки с нормальной плотностью фазы. Все это указывает на различную интенсивность перегрева материала вплоть до полного растворения упрочняющей фазы в момент теплового воздействия. Глубина повреждений материала, характеризуемых изменением плотности и распределения упрочняющей фазы, колеблется в пределах 0.12-0.5мм. Растрескивания металла в пределах указанных зон достигают глубину 0.4мм. Во всех случаях трещины располагаются по границам зерен. Форма и расположение трещин не дают основания полагать, что они имели развитие в процессе эксплуатации.
В зоне максимальных растягивающих напряжений было сформировано несколько повреждений разных размеров по поверхности, у которых произошло образование трещин.
Металлографические исследования показали, что глубина дефектной зоны в очаге усталостной трещины была минимальной из всех имевших место повреждений, находившихся по соседству.
Образование трещин по границам зерен может быть объяснено следующим образом. Участки сплава, прилегающие к расплавленному слою, нагреваются до температур, близких к температуре плавления. Нагревание приводит к тому, что на границах зерен происходят коагуляция и укрупнение метастабильной у фазы с быстрым ее перерождением в стабильную. В результате такого изменения состояния границ зерен сильно понижается пластичность и без того хрупких прослоек между зернами, вследствие чего под воздействием растягивающих напряжений образуются микротрещины. Наличие каскада трещин указывает на возникновения высокого градиента на пряжений в момент нанесения повреждения. Эти трещины видимо частично снимают остаточные растягивающие напряжения.
Разрушения дисков характеризовало поэтапное развитие трещины первоначально в пределах сформированного псевдобороздчатого рельефа, а далее рельефа излома с усталостными бороздками. Зона начального разрушения была обусловлена частичным плавлением материала диска и потерей им своих первоначальных свойств. Рассматриваемый случай роста трещины связан с небольшим начальным микроскопическим, а далее мезоскопическим масштабными уровнями процесса разрушения, т.е. с преимущественно регулярным формированием усталостных бороздок.
Первоначальный этап развития разрушения связан с низкой скоростью роста трещины. На этой стадии продвижение трещины имеет существенную зависимость от кристаллографической ориентировки плоскостей скольжения, что наиболее предпочтительно в жаропрочных сплава.
В начальной стадии развития разрушения, Трещина движется по извилистой траектории, которая существенно отклоняется от магистрального направления роста трещины, Рис 5.5. Полученный рельеф излома не имеет периодической структуры, по которой можно было бы определить направление и динамику роста трещины.
Согласно методики описанной в второй главе, было выполнено вычисление общей фрактальной размерности со всеми возможными значениями масштабных минимальных и максимальных уровней. В результате получена матрица значений фрактальных размерностей для разных масштабов треугольного вида, Рис. 5.6. На полученной матрице наблюдается площадка со стабильными значениями фрактальных размерностей. Границы интервала для этой площадки dm[n = 1 ш, я?тах=5 цм и (DY)d «2.522. Выявленная интегральная фрактальная размерность характеризует однородную морфологию рельефа излома, на которой существует одновременно несколько процессов разрушения. Они, с одной стороны, связаны с влиянием модифицированного слоя, а, с другой стороны, соответствуют реализуемому низко энергоёмкому процессу скольжения. Более детальная информация о закономерностях формирования рельефа может быть получена из фрактального анализа по различным направлениям.
Для получения полной информации о фрактальных характеристиках рассматриваемой поверхности в разных направлениях определяем средние фрактальные размерности по двум перпендикулярным направлениям и их спектры. Было проведено вычисление множества средних фрактальных размерностей со всеми возможными значениями масштабов dm\n и dmax. В результате проделанных операций были выявлены границы масштаба, в пределах которых фрактальная размерность однородна, и её можно использовать для характеристики динамики развития разрушения, как параметр однородной структуры рельефа излома, Рис. 5.7.
