CC BY
30
УДК 669.14.018.44
Е.Р. Голубовский, А.Г. Демидов
ФГУПЦИАМ им. П.И. Баранова, Россия
ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ И КРИТЕРИЙ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ СПЛАВА ЭИ698ВД ДЛЯ ДИСКОВ ГТД
Представлены результаты испытаний на длительную прочность тонкостенных трубчатых образцов (тип 2) из сплава ЭИ698ВД при температурах 650 и 750 °С в условиях различных напряженных состояний. Эти данные использованы для определения эмпирического критерия эквивалентности напряженных состояний. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наиболее адекватно длительную прочность при сложном напряженном состоянии при температуре 650 °С описывает обобщенный критерий, сформулированный авторами ранее; а при температуре 750 °С - критерий Мизеса - Генки. Показано, что длительная прочность зависит от параметров масштабного фактора. Для оценки этой зависимости использованы также экспериментальные данные, полученные ранее на трубчатых образцах (тип 1) с другим соотношением толщины стенки и среднего диаметра. Показано, что с увеличением параметра масштабного фактора пределы длительной прочности при кручении увеличиваются на 3 - 15%.
Ключевые слова: трубчатые образцы, длительная прочность, критерий эквивалентности напряженных состояний, масштабный фактор.
Введение
При расчетах напряженно-деформированного состояния основных деталей АГТД используются критерии эквивалентности напряженных состояний. В качестве таких критериев используются либо известные теории прочности, либо од-нопараметрические критерии, либо эмпирические двухпараметрические критерии [1]. В современных программных комплексах (типа АКЗУЗ, КА8ТИАК и др.) применяется, как правило, од-нопараметрический критерий Мизеса-Генки:
= s е = si >
(1)
где Ст| —интенсивность напряжений.
В работах [2-4] показано, что более точные оценки эквивалентных напряжений длительной прочности при сложном напряженном состоянии для деформируемых никелевых сплавов, применяемых для таких ответственных деталей АГТД как диски турбины и компрессора, позволяет получить обобщенный критерий эквивалентности напряженных состояний:
= 1s0 + 3(1 -Х)а00 ,
(2)
где ст Т и ст0 - интенсивность напряжений и
среднее напряжение соответственно при долговечности т;
l - параметр материала | 3 <1 < 2
© Е.Р. Голубовский, А.Г. Демидов, 2012
- 264 -
В настоящей работе были поставлены следующие задачи:
- экспериментально исследовать длительную прочность при сложном напряженном состоянии сплава ЭИ698ВД, широко применяемого для дисков и валов компрессора и турбины различных АГТД и ГТУ при температурах 650 и 750 °С;
- по результатам эксперимента определить значение параметра 1 обобщенного критерия (2) и получить численные модели длительной прочности при сложном напряженном состоянии для температур 650 и 750 °С (т.е. зависимость времени до разрушения от эквивалентного напряжения) для определения значений характеристик длительной прочности в условиях кручения и кручения с растяжением.
- оценить возможное влияние масштабного фактора на параметр 1 и, как следствие, влияние на уровень характеристик длительной прочности при кручении.
1. Экспериментальная часть
Трубчатые образцы (тип 2) для испытаний на длительную прочность при сложном напряженном состоянии имели следующие размеры рабочей части — наружный и внутренний диаметры соответственно Б„ар = 18 мм, Ввнугт = 17 мм и
нар ' вну тр
расчетная длина Ь = 100 мм. Для оценки влияния масштабного фактора использованы результаты испытаний трубчатых образцов (тип 1), испытанных ранее [2,3]; образцы (тип 1) имели
s
экв
CJ
рабочую часть с размерами - Внар = 8 мм, ^внутр = 6 мм, расчетная длина Ь = 25 мм.
В качестве заготовок для образцов тип 2 был использован металл серийных штамповок дисков из деформируемого никелевого сплава ЭИ698ВД, термообработанных по стандартному режиму [5]. Аналогичные штамповки были использованы ранее для изготовления трубчатых образцов (тип 1). Для оценки и идентификации этого металла (для корректного сравнения с результатами испытаний образцов тип 1) были проведены испытания стандартных сплошных образцов (ё = 5 мм и Ь = 5ё = 25 мм) на длительную прочность в условиях одноосного растяжения при температуре 650 °С (рис. 1) и проведено сопоставление этих результатов испытаний со справочными кривыми длительной прочности сплава ЭИ698ВД [3,5]. Испытания стандартных образцов были проведены на испытательных машинах АИМА-5. Результаты испытаний стандартных образцов и сопоставление со справочными кривыми длительной прочности представлены на рис. 1. Как следует из этого рисунка, металл штамповок полностью соответствует справочным кривым длительной прочности.
100
10
100 1000 Время до разрушения, час.
10000
т - Аа-П
Лиэкв.
После логарифмирования она принимает вид: log тp - log А - n log аэкв (3)
Таблица 1
Экспериментальные данные, полученные при Т = 650 °С, и результаты их обработки
Напряжения, МПа > час ^ЭКВ.5 МПа *
(Ухх ^ху см а3 см а0
667 0 667 0,0 667 222 46 667
637 0 638 0,0 638 213 307 638
618 0 618 0,0 618 206 95 618
618 0 618 0,0 618 206 189 618
618 0 618 0,0 618 206 152 618
657 0 657 0,0 657 219 279 657
657 0 657 0,0 657 219 43 657
618 0 618 0,0 618 206 756 618
510 0 510 0,0 510 170 357 510
0,0 392 392 -392 680 0,0 51 654
0,0 357 357 -357 618 0,0 1194 595
0,0 435 435 -435 754 0,0 15,5 726
380 319 561 -181 670 127 369 659
380 319 561 -181 670 127 134 659
380 319 561 -181 670 127 60 659
510 163 557 -478 583 170 815 580
347 291 512 -165 612 116 1109 601
454 380 669 -216 800 151 0,1 ** 786
Рис. 1. Справочные кривые длительной прочности
сплава ЭИ698ВД при температурах 650 °С (1) и 750 °С (2) [5]. Треугольники — результаты испытаний стандартных образцов, полученных в настоящей работе
Испытания трубчатых образцов (тип 2) при температурах 650 и 750 °С на длительную прочность в условиях растяжения, кручения и кручения с растяжением были проведены на машине УИМТ-1500. Методика испытаний и обработки полученных экспериментальных данных подробно описана в [4].
2. Полученные результаты и их обсуждение
Результаты испытаний трубчатых образцов (тип 2) и результаты их предварительной обработки приведены в табл. 1, 2. Экспериментальные данные, представленные в этих таблицах были обработаны по степенной модели длительной прочности:
* - расчет по критерию (2); **- потеря устойчивости образца
На первом этапе в качестве эквивалентного напряжения в уравнении (3) был использован критерий эквивалентности Мизеса-Генки (1).
Раздельно были обработаны следующие выборки результатов испытаний на растяжение: выборка 1 и выборка 2 для температур 650 и 750 °С соответственно.
Далее раздельно были обработаны выборки 3 и 4 для температур 650 и 750 °С соответственно — только результаты испытаний образцов при кручении и кручении с растяжением. Полученные численные значения коэффициентов уравнения регрессии (3) для температур 650 и 750 °С представлены в табл. 3.
Экспериментальные данные Т = 750 °С, и результаты
Таблица 2 , полученные при их обработки
Кривые длительной прочности, построенные по уравнению (3) с этими значениями коэффициентов, приведены на рис. 2 а, б.
Напряжения, МПа т„ а,кв.,
<7ХХ ^ху <3\ с>з о; а0 <ф 5 час по а! МПа
422 0,00 422 0,00 422 141 31 422
422 0,00 422 0,00 422 141 22 422
314 0,00 314 0,00 314 105 227 314
245 0,00 245 0,00 245 82 525 245
245 0,00 245 0,00 245 82 426 245
314 0,00 314 0,00 314 105 235 314
196 0,00 196 0,00 196 65 571 196
147 113 208 -61 245 49 956 245
167 140 246 -79 294 56 552 294
213 179 315 -102 376 71 120 376
213 179 315 -102 376 71 120 376
287 240 423 -137 506 96 12,5 506
287 240 423 -137 506 96 48 506
167 140 246 -79 294 56 264 294
188 144 267 -78 313 63 303 313
179 150 264 -85 316 60 360 316
147 113 208 -61 245 49 720 245
0,00 135 135 -135 235 0,0 763 235
0,00 173 173 -173 300 0,0 120 300
0,00 189 189 -189 328 0,0 248 328
0,00 142 142 -142 245 0,0 432 245
0,00 222 222 -222 385 0,0 153 385
618 0,00 618 0,00 618 206 2,8 618
471 0,00 471 0,00 471 157 31,5 471
392 0,00 392 0,00 392 131 67,5 392
343 0,00 343 0,00 343 114 426 343
341 0,00 341 0,00 341 114 371 341
Таблица 3
Значения коэффициентов уравнения (3) для эквивалентных напряжений сэкв = ст1 (трубчатые образцы — тип 2)
Напряженное состояния № выборки Т,°С А п
растяжение 1 650 142,3 50,0
2 750 17,0 5,88
Сложное напряженное состояние 3 650 92,45 32,26
4 750 15,22 5,14
100 1000 Время до разрушения тр, час
а
б
Рис. 2. Сплав ЭИ698ВД. Трубчатые образцы тип 2.
Температуры 650 °С (а) и 750 °С (б)
1 — Кривая длительной прочности при растяжении;
2 — Кривая длительной прочности при кручении и
кручении с растяжением
Кривые длительной прочности свидетельствуют о том, что при температуре 650 °С (рис. 2 а) критерий Мизеса-Генки неудовлетворительно описывает экспериментальные данные при кручении и кручении с растяжением, т.е кривые 1 и 2 значительно различаются. В то же время, при температуре 750 °С (рис. 2 б) в области эксперимента, наблюдается удовлетворительное соответствие расчетных кривых длительной прочности при растяжении и сложном напряженном состоянии, т.е. кривые 1 и 2 различаются незначительно. На основании этого результата было принято решение о применении для расчета эквивалентных напряжений при температуре 750 °С критерия (1), а при температуре 650 °С - критерия (2). Для этого необходимо определить значения параметра 1 из критерия (2) по результатам испытаний трубчатых образцов (тип 2) при растя-
жении и иных напряженных состояниях. С этой целью, для долговечности каждого образца, испытанного при кручении и кручении с растяжением, по кривой длительной прочности при растяжении трубчатых образцов (рис. 2) были определены значения величины стр (ар - предел длительной прочности трубчатых образцов при растяжении, соответствующий времени до разрушения образца, испытанного при сложном напряженном состоянии).
С использованием этих значений ар были определены значения параметра 1 из критерия
(1) для каждого образца из сплава ЭИ698ВД по методике, изложенной в работе [4]. Результирующее значение 1 определяется как среднее арифметическое всех значений, полученных для каждого образца. После выполнения этих процедур, для образцов (тип 2) параметр 1 из критерия
(2) для сплава ЭИ698ВД имеет среднее значение:
1 = 0,963 (4)
По формуле (2) с 1 (4) были рассчитаны эквивалентные напряжения аэкв для каждого образца (тип 2), испытанного при температуре 650 °С — эти значения приведены в табл. 1. Аналогичные процедуры были выполнены для результатов испытаний, полученных при температуре 750 °С, но с использованием в качестве критерия эквивалентности - критерия Мизеса-Ген-ки (1) (см. табл. 2).
Полученные величины аэкв и соответствующие им экспериментальные данные Тр (табл. 1 и 2) были использованы для определения численных значений коэффициентов уравнения (3) и последующего построения кривых длительной прочности в соответствующих эквивалентных напряжениях. Значения коэффициентов приведены в табл. 4, а кривые длительной прочности -на рис. 3.
Таблица 4
Значения коэффициентов уравнения (3) в эквивалентных напряжениях для температур 650 и 750 °С (Трубчатые образцы — тип 2 и тип 1)
Т, °С Критерий эквивалентности log A n
(Все трубч. образцы-тип 2) Критерий (2) - 1=0.963 93,67 32,57
650 (Трубч. образцы-тип 1) Критерий (2)- 1=0,861 [2] 38,41 12,87
750 (Все трубч. образцы-тип 2) Критерий Мизеса-Генки ае=а! 16,61 5,71
В табл. 4 приведены также значения коэффициентов уравнения (3) для образцов тип 1, полученные по результатам испытаний, проведенных ранее [2]. Эти два типоразмера образцов (тип 2 и тип 1) можно охарактеризовать параметром масштабного фактора, отнесенного к единице длины рабочей части образца. В качестве такого масштабного фактора можно использовать отношение толщины стенки трубчатого образца к среднему диаметру:
Д = ( D
нар
D_ )/ ( D + D
внутр
нар
внутр
)
Значения масштабного фактора Б приведены в табл. 5.
Таблица 5
Значения параметров масштабного фактора А для трубчатых образцов тип 1 и тип 2
Тип образца Д = (Dh - Db)/(Dh + Db)
Тип 1 0,143
Тип 2 0,029
я
S
m
Время до разрушения Тр час а
I
я
в -всерез-ты
исгыт. трубч. образцов
-п—i—m—III—
10 100
б
1000
Рис. 3. Сплав ЭИ698ВД. Трубчатые образцы тип 2. Т = 650 °С (а) и 750 °С (б). Кривые длительной прочности в эквивалентных напряжениях ае (2) и ае= а; (1) по результатам испытаний образцов при растяжении, кручении и кручении с растяжением
750
700
650
550
10
100
1000
400
300
200
Время до разрушения тр, час
Как следует из сравнения коэффициентов уравнения (3), представленных в табл. 4, величины log A и n для образцов тип 1 имеют значе-ниия в 2.5 раза ниже, чем для образцов тип 2. Сопоставляя значения величин, представленных в табл. 4 и 5, можно сделать вывод об общей тенденции — с уменьшением масштабного фактора снижаются значения коэффициентов уравнения (3). Кроме того, снижаются значения пределов длительной прочности в главных напряжениях (а1 и а3) для образцов тип 2 в сравнении с образцами тип 1, рассчитанные по уравнению (3) с использованием соответствующих параметров l (табл. 4).
Для более детального изучения этого феномена, связанного в том числе и с возможностью значительно более окисленного слоя в более тонких образцах (тип 2), необходимо металлографи-чекое и микроструктурное исследование поперечного сечения образцов тип 1 и тип 2.
3. Заключение
На основании полученных экспериментальных данных показано, что длительную прочность сплава ЭИ698ВД в условиях сложного напряженного состоянии при Т = 650 °С описывает критерий (2) с параметром l =0.963, а при Т = 750 °С — критерий (1).
Оценка влияния масштабного фактора А позволила установить при Т = 650 °С, что с увели-
чением А снижается параметр l в критерии (2) и при этом увеличиваются пределы длительной прочности в главных напряжениях.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 11-08-00008а)
Литература
1. Лебедев A.A. Механические свойства конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии [Текст] / A.A. Лебедев, Б.И. Ко-вальчук, Ф.Ф. Гигиняк, В.П. Ламашевский // Киев, Изд. дом. «Ин Юре», 2003. - 540 с.
2. Голубовский Е.Р. Оценка длительной прочности при сложном напряженном состоянии никелевых сплавов с поликристаллической и монокристаллической структурами[Текст] / Голубовский Е.Р., Подъячев A.H.// Проблемы прочности. - 1991. - №6 . - С.17-22.
3. Каблов E.H. Жаропрочность никелевых сплавов [Текст]: моногр. / E.H. Каблов, Е.Р. Голубовский. — М.: Машиностроение, 1998. — 464 с.
4. Голубовский Е.Р. Оценка длительной прочности при сложном напряженном состоянии сплава ЭИ437 БУ-ВД для дисков ГТД [Текст] / Е.Р. Голубовский, АГ. Демидов // Вестник дви-гателестроения. -2008. -№3. —С. 106-110.
5. Aвиационные материалы [Текст]: справ. Т. 3.Ч. 1. Деформируемые жаропрочные стали и сплавы. - М.: ОНТИ ВИ\М, 1989 г.
Поступила в редакцию 01.06.2012
E.R. Golubovskiy, A.G. Demidov. Stress rupture and criterion of equivalence stress states conditions of alloy 3H698Bfl for disks GTE
Results of tests for long durability of thin-walled tubular samples (type 2) from alloy 3M698Bfl are submitted at temperatures 650 and 750° C in conditions of various conditions. These data are used for definition empirical criteria of equivalence of intense stress states conditions. Experimental data testify that is the most adequate long durability at a complex stress state at temperature 650 °C describes the generalized criterion formulated by authors earlier; and at temperature 750 °C - criterion Mu3eca - Genkas. It is shown, that long durability depends on parameters of the scale factor. For an estimation of this dependence the experimental data received earlier on tubular samples (type 1) with other parity{ratio} of thickness of a wall and average diameter are used also. It is shown, that with increase in parameter of the scale factor limits of long durability at torsion was increased.
Key words: tubular samples, long durability, criterion of equivalence of intense conditions, the scale factor.
