CC BY
10
УДК 620.179.1
С.Р. Игнатович, С.С. Юцкевич, В.И. Закиев, Ю.Н. Майстренко Национальный авиационный университет, Украина
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УСТАЛОСТИ В СПЛАВЕ Д-16АТ ПРИ ПОМОЩИ НАНОПРОФИЛОМЕТРА
Представлены результаты изменения показателя шероховатости поверхностного слоя материала Д-16АТ в процессе циклической наработки. Описана методика экспериментальной количественной оценки пластического деформирования поверхностного слоя материала с использованием нанопрофилометра «Микрон-альфа». Получены экспериментальные данные по изменению деформационного рельефа полированной и не полированной поверхности сплава Д-16АТпри циклическом нагружении. Показано, что для мониторинга пластического деформирования поверхностного слоя можно использовать материал Д-16АТв состоянии поставки.
Циклическое нагружение, усталость, профилометрия, поверхностный слой, деформационный рельеф, усталостная поврежденность.
Введение
Для использования резервов ресурса конструкции и повышения их безопасности необходимо использовать данные, основанные на происходящих в материале физико-механических явлениях, которые позволят оценивать историю нагружения, а также прогнозировать наступление предельного состояния. Объектом контроля должен выступать поверхностный слой детали, так как процессы деформирования и разрушения в нем протекают более интенсивно по сравнению с остальным объемом материала [1].
1. Формулирование проблемы
Одной из основных особенностей усталостной повреждаемости является ее локальность. В результате накопления повреждений в какой-либо перенапряженной зоне элемента конструкции образуется усталостная трещина, развитие которой приводит к разрушению конструкции. Второй особенностью процесса является его стадийность. Процесс усталостной повреждаемости в материале представляет совокупность двух процессов — накопление рассеянных повреждений, завершающееся образованием усталостной трещины, и процесса распространения усталостной трещины[2]. Однако ввиду того, что для ряда элементов авиационных конструкций появление трещины является недопустимым, необходимо прогнозировать динамику накопления усталост-
ных повреждений на инкубационной стадии разрушения.
Инкубационный период усталости во многих случаях сопровождается формированием деформационного рельефа [3]. Металлографические исследования указывают на различие в процессах формирования такого рельефа при больших и малых амплитудах напряжений. Образование экструзий и интрузий на поверхности плакируемых алюминиевых сплавов открывает возможность для количественной оценки накопленного усталостного повреждения по интенсивности формирования и размерным параметрам рельефа. Такая оценка может быть выполнена путем анализа изображений поверхности, полученных при большом увеличении под микроскопом. Однако оптическая микроскопия дает лишь качественную информацию о деформационном рельефе поверхности. Этого не достаточно для прогнозирования остаточной долговечности и накопленного усталостного повреждения.
Количественные показатели рельефа можно получить с использованием оптического интерференционного профилометра «Микрон-альфа», разработанного на кафедре конструкции летательных аппаратов Национального авиационного университета.
Технические возможности профилометра позволяют получать не только числовые показатели рельефа, но и его трехмерное изображение [4,5].
© С.Р. Игнатович, С.С. Юцкевич, В.И. Закиев, Ю.Н. Майстренко, 2008 ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
2. Решение проблемы
2.1. Методика проведения эксперимента
Объектом исследования являлись полированные и неполированные (в состоянии поставки) образцы дюралюминиевого сплава Д16АТ. Размер образца составляет 125x10x1,2 мм.
Циклическое нагружение образцов производилось на вибростенде в условиях консольного симметричного изгиба с частотой 25 Гц. Значение напряжения в замеряемом сечении (рис. 1) составляло: оа = 60 МПа, оа = 72,5 МПа и оа =85 МПа.
Яа =
= у II у(х ^
(1)
Рис. 2. Схема замера шероховатости
Для каждой линии определялось значение Яа. Для дальнейшего анализа изменения деформа-
ционного рельефа использовалось усредненное по 20 линиям значение Яа
I
Яа =
20
20
(2)
Рис. 1. Схема испытываемого образца
Периодически образец снимался и производился замер рельефа его поверхности. Увеличение изображения составляло х500. При таком увеличении отчетливо различаются особенности топографии поверхности. Размер замеряемого участка составлял 225x170 мкм.
Шероховатость поверхности трактуется как совокупность неровностей, образующих микрорельеф [6].
В качестве показателя, количественно характеризующего рельеф поверхности, использовался параметр Яа. Данный параметр определяется как среднее арифметическое отклонение шероховатости [7]
Использование такого параметра позволяет полностью охватить контролируемый участок.
2.2. Результаты эксперимента
Результаты замеров изменения рельефа поверхности с наработкой на образцах с неполированной и полированной поверхностью приведены на рис. 3.
В обеих случаях при различных напряжениях изменение с наработкой деформационного рельефа, характеризуемое показателем Яа, наблюдается два участка: участок роста параметра Яа (для оа = 60 МПа до N = 260000 цикл., для о а = 72,5 МПа до N = 200000 цикл. и для о а= 85 МПа до N = 160000 цикл.); и участок, на котором не происходит изменений в значениях параметра Яа.
Из этого следует, что оценивать состояние материала по показателю деформационного рельефа возможно на первом участке усталостной поврежденности.
При сопоставлении характеристик изменения деформационного рельефа прослеживается следующая тенденция — при малом значении амплитуды напряжения (оа = 60 МПа) наблюдается эквидистантность зависимостей изменения показателя шероховатости для образцов с полированной и неполированной поверхностью (рис. 4).
где 1 — базовая длина, по которой производится замер шероховатости; у(х) — отклонения профиля от средней линии.
Для определения изменения рельефа с наработкой замер производился по 20 линиям (рис. 2).
0.« 0.4 0.2
Ич * * *
* . * А А. А
♦ < А к * А * '
* д * * ■ ■ ■ * 5 МГЦ
О, = 72.5 МПа о. = 60 МГТо N (un.il,>
?
«»оо юоооо 1»»со гооооо лоооо эсоооо хаооо «оосо.
а)
б) _
Рис. 3. Изменение параметра Яа с наработкой для образцов с неполированной (а) и полированной (б) поверхностью.
О 100 ООО 200000 ЗООООО -100000
Рис. 4. Изменение параметра Ra с наработкой для образца с неполированной и полированной поверхностью
Интенсивность изменения рельефа полированной поверхности у образца, нагружаемого большим напряжением (оа= 85 МПа), настолько велика, что она совпадает с интенсивностью изменения неполированного образца.
Заключение
Использование бесконтактного интерференционного профилометра «Микрон-альфа» открывает широкие возможности для диагностики усталостной поврежденности конструкционных материалов и изделий. Оценка деформационного рельефа параметром Ra позволяет осуществлять количественную оценку повреждаемости поверхности материала при усталости.
Литература
1. Прокопенко А.В., Маковецкая И.А., Шту-катурова А.С. Поверхностные свойства и предел
выносливости металла. Сообщ. 2. Неравномерность свойств на поверхности // Пробл. прочности. 1986. - №6. - С. 41-44.
2. Воробьев А.З., Олькин Б.И., Стебенев В.Н. Сопротивление усталости элементов конструкции — М.: Машиностроение, 1990. — 240 с.
3. Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1980. - 208 с.
4. Игнатович С.Р., Карускевич О.М., Закиев И.М., Закиев В.И. Диагностика усталостной поврежденности методом бесконтактной регистрации поверхностного рельефа объектов в нанометрическом диапазоне. // Матер. 13-й меж-дунар. конфер. «Современ. методы и средства не-разруш. контроля и тех. диагностики», (Ялта, 3.11.2005), -C. 80-82.
5. С.Р. Игнатович, И.М. Закиев, В.И. Закиев. Контроль качества поверхности деталей с использованием бесконтактного профилометра / Авиационно-космическая техника и технология: Вып. 8 (34) - Харьков: ХАИ, 2006. - С. 20-22.
6. Самохвалов Я.А., Левицкий М.Я., Григо-раш В.Д. Справочник техника-конструктора. - К.: «Техника», 1978. - 592 с.
7. ГОСТ 2789-73 - Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.
Поступила в редакцию 01.07.08
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Дмитриев С.А. Национальный авиационный университет, г. Киев.
Представлено результати змти показника шорсткост1 поверхневого шару матер1алу Д-16АТв процеа циклгчного напрацювання. Описано методику експериментальног кыькшног оцтки пластичного деформування поверхневого шару матергалу з використанням нано-профыометру «Мгкрон-альфа». Отримано експериментальш дам ¡з змти деформацшного рельефу полгрованог г не полгрованог поверхш сплаву Д-16АТ при циклгчному наванта-женнг. Показано, що для монторингу пластичного деформування поверхневого шару мож-ливо використовуватиматергалД-16АТу станг постачання.
Results of roughness indicator of D-16AT material surface layer changing at cyclical loading are presented. The methodology of experimental quantitative estimation of material surface layer plastic deformation using nanoprofilometer «Micron-alpha» is described. Experimental data on deformation relief changing ofpolished and not polished surface of D-16AT alloy are received at cyclic loading. It is shown, that it is possible to use material D-16ATin a delivery condition for plastic deformation of a blanket monitoring.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008
- 101 -
