Длительная прочность при сложном напряженном состоянии сплава эи437бу Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), с. 2109-2111

2109

УДК 621.438:539.4

ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ СПЛАВА ЭИ437БУ

© 2011 г. Е.Р. Голубовский, А.Г. Демидов

Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Москва

golubovskiy@ciam.ru

Поступила в редакцию 24.08.2011

Представлены результаты экспериментального исследования длительной прочности при сложном напряженном состоянии жаропрочного деформируемого никелевого сплава ЭИ437БУ-ВД, применяемого для дисков и валов газовых турбин. Экспериментальные данные получены в результате испытаний на длительную прочность при температуре 650 °С тонкостенных трубчатых образцов в условиях плоских напряженных состояний при различных соотношениях осевой растягивающей силы и крутящего момента. Результаты испытаний использованы для определения параметра X в двухпараметрическом критерии эквивалентности напряженных состояний, предложенного авторами ранее. Показано, что полученные экспериментальные данные аппроксимируются кривой длительной прочности с переломом, который свидетельствует о возможном изменении характера разрушения в зависимости от долговечности. Определены значения параметра X для каждого участка ломаной кривой длительной прочности (X! и Х2). Сравнительный анализ оценок дисперсии экспериментальных данных относительно расчетной кривой длительной прочности в эквивалентных напряжениях показал, что двухпараметрический критерий (1) с полученными значениями параметра X (Х1 и Х2) более точно и адекватно описывает длительную прочность сплава при сложном напряженном состоянии, чем широко применяемый критерий Мизеса - Генки.

Ключевые слова: длительная прочность, никелевый сплав, трубчатые образцы, критерий эквивалентности напряженных состояний.

При расчетах напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей газотурбинных двигателей в современных программных комплексах (АКБУБ, КАБТЯЛК и т.п.) в качестве критерия эквивалентности напряженных состояний (далее «критерий») при оценке длительной прочности используется критерий Мизеса - Генки (оэкв = Оі). Недостаток критерия Мизеса — Генки состоит в том, что расчетные значения характеристик конструкционной длительной прочности любого материала при двухосном равном растяжении (о1 = = О2; О3 = 0) оказываются равными длительной прочности при растяжении. Однако экспериментальные данные, полученные в области двухосных растяжений, свидетельствуют о снижении длительной прочности в сравнении с одноосным растяжением [1]. Это обстоятельство учитывает двухпараметрический критерий [1, 2]:

а экв = И + 3(1 (1)

где Оі — интенсивность главных нормальных напряжений; О0 — среднее напряжение; О1, О2, О3 — главные нормальные напряжения; Оэкв = Ор — предел длительной прочности при одноосном растяжении и долговечности Тр; X — параметр, зависящий от свойств материала.

Для деталей роторов газотурбинных двигателей и газотурбинных установок (диски и валы) широко применяется жаропрочный никелевый деформируемый сплав ЭИ437БУ-ВД [3], образцы из которого использованы в настоящем исследовании.

Испытания на длительную прочность при различных соотношениях растягивающей силы Р и крутящего момента М при температуре Т = = 650 °С, в соответствии с требованиями [5], были проведены на тонкостенных трубчатых образцах (рабочая часть Ь = 108 мм, <ін = 18 мм, =

= 17 мм). Заготовки образцов вырезались из штамповок дисков из сплава ЭИ437БУ-ВД, термообработанных по стандартному режиму. Испытания были проведены на установке УИМТ в соответствии с требованиями стандарта [5]. Напряжения в стенке образца рассчитывались по стандартным соотношениям [1, 2, 4], при этом учитывалось, что в данном эксперименте всегда О1 > 0, О2 = 0, О3 < < 0. Для характеристики сложного напряженного состояния в стенке образца были использованы параметры напряженного состояния а1, а3, а0,

а'' С1 1 °2 п °3

а1 =-*- = 1, а2 =^^ = 0, а3 =—^,

С1 С1 С1

aG = — =

cG 1+а2 +аЗ

3+^1, аг =С=д/ 1-аз +а3. (2) C 3 С1

Результаты испытаний образцов были получены при следующих напряженных состояниях: 1) а1 = 1, а2 = 0, а3 = 0 - 11 образцов; 2) а1 = 1, а2 = 0, а3 = -1 - 5 образцов; 3) а1 = 1, а2 = 0, а3 = -0.32 - 8 образцов; 4) а1 = 1, а2 = 0, а3 = = -0.17 - 10 образцов.

Экспериментальные данные были обработаны по степенной зависимости:

Т р = ^с-кв- (3)

Обработка результатов испытаний проведена для трех выборок экспериментальных данных: выборка 1 - результаты испытаний трубчатых образцов при растяжении; выборка 2 - результаты, полученные при сложном напряженном состоянии для различных соотношений растяжения и кручения; выборка 3 - результаты испытаний стандартных цилиндрических образцов (l = 5d, d = 5 мм) на длительную прочность при растяжении при температуре 650 °С.

При этом на первом этапе обработки данных, в качестве Оэкв использован критерий Мизеса -Генки. Экспериментальные данные выборок 1, 2 и 3 удовлетворительно аппроксимируются уравнением (3), коэффициенты которого имеют следующие значения: выборка 1 - log A = 39.062, n = = 13.51; выборка 2 - log A = 39.960, n = 13.77; выборка 3 - log A = 25.13, n = 8.33.

Как следует из диаграммы длительной прочности (рис. 1а), кривые 1 и 2 практически совпадают. Кривая 3 - отличается от кривых 1 и 2 (номера кривой и выборки совпадают). Однако, следует отметить, что значительная часть экспериментальных данных с долговечностью Тр > > 250 ч лежит ниже расчетных кривых 1 и 2, т.е. на кривых длительной прочности трубчатых образцов возможен перелом, связанный с изменением характера разрушения. Поскольку изменение угла наклона кривой длительной прочности связывается с изменением характера длительного разрушения [2], то в качестве кривой в эквивалентных напряжениях до точки перелома (тр = = 250 ч) следует рассматривать кривую 1, а после точки перелома - кривую 3.

Определение значения параметра X из критерия (1) для каждого образца осуществлялось для соответствующего участка кривой длительной прочности. Параметр X имеет следующие средние значения: X = 1.014 - для т < 250 ч; X = 0.953 - для X > 250 ч.

С использованием этих значений параметра X были рассчитаны по формуле (1) значения сэкв для каждого трубчатого образца, испытанного при

сложном напряженном состоянии. Эти значения Сэкв показаны на рис. 16, на котором представлена кривая длительной прочности в эквивалентных напряжениях (1) в виде ломаной.

а

с

8б0

SOO

7б0

700

6б0

600

бб0

б00

4б0

4OO

3б0

0 ■ X

«Neat* г г г г г м г г г t

■ [Л .■ J Ї-

.Xа Ч

О аз=0 f f г г г а а3= -1 м о ч К Ц X

□ а3= -0,32 X а3= -0,17 г г г г г г г г г "ч 1 э\.

1 10 1 00 1 000 1 0000

Время до разрушения, ч

a)

N

яр

а

і

900

SOO

7OO

6OO

б00

4OO

300

г г г г г г г г г г г г г г г г г г

1

" °

h

.4v-t-

Г Г Г Г г г Г f г г г г

г г г г ' г г г -LLL.

і**;.*

г гчгч. г

г г г г г г г г г

Образцы с Тр< 2б0 ч; образцы с Тр > 2б0ч

X.

0

г

1 10 100 1000 10000 Время до разрушения тр , ч

б)

Рис. 1

Были получены оценки дисперсии экспериментальных данных относительно кривой 2 на рис. 1а и относительно ломаной на рис. 1б; оценки для рис. 1 а имеют более высокие численные значения.

Таким образом, критерий (1) более точно и адекватно описывает длительную прочность сплава при сложном напряженном состоянии, чем широко применяемый критерий Мизеса — Генки.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №>11-08-00008а

Список литературы

1. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р Жаропрочность никелевых сплавов. М.: Машиностроение, 1998. 464 с.

2. Голубовский Е.Р. Длительная прочность и критерий разрушения при сложном напряженном состоянии сплава ЭИ698ВД // Проблемы прочности. 1984. №8. С. 11—17.

3. Машиностроение: Энциклопедия. Т. 11-3. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металличес-

кие материалы. М.: Машиностроение, 2001. 880 с.

4. Лебедев А.А., Ковальчук Б.И., Гигиняк Ф.Ф., Ламашевский В.П. Механические свойства конструкционных материалов при сложном напряженном состо-

янии / Под общ. ред. А.А. Лебедева. Киев: ИД «Ин Юре», 2003. 540 с.

5. ГОСТ 10145-84. Металлы. Метод испытания на длительную прочность.

LONG-TERM DURABILITY OF ALLOY EI437BU UNDER COMPLEX STRESS E.R. Golubovskiy, A.G. Demidov

The results of an experimental research of the long-term combined strength of the EI437BU-VD heat resisting deformable nickel alloy used for disks and shafts of gas turbines are presented. The experimental data was obtained as a result of creep-rupture tests of thin-walled tubular samples under plane tension for various relationships between the axial tensile force and torque at 650 °C. The results of the tests are used to determine parameter X in a two-parameter criterion of equivalence of the tensions, earlier introduced by the present authors. It is shown, that the obtained experimental data are approximated by a stress rupture curve with a breaking which testifies to a possible change of character of shattering depending on the longevity. Parameter values ofX for each section of the broken stress rupture curve (Xj and X2) are determined. The comparative assaying of estimations of a variance of experimental data concerning a calculated stress rupture curve in equivalent stresses has shown, that the two-parameter criterion with the obtained parameter values of X (Xj and X2) more precisely and adequately represents long-term durability of the alloy under complex tension, than the widely used Mises - Hencky's criterion.

Keywords: long-term durability (stress rupture), nickel alloy, tubular samples, criterion of equivalence of stressed states.