CC BY
17
-Ф-
■Ф-
_ СТАНДАРТИЗАЦИЯ. СЕРТИФИКАЦИЯ. _
КАЧЕСТВО
УДК 620.16/17
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПОКОВОК ИЗ СПЛАВОВ 1933Т3Н, ВТ6ч И СТАЛИ 08Х15Н5Д2ТУ-Ш
Е.И. Швечков, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru),
А.В. Сыров (ЗАО ГСС)
Приведены статистически обработанные экспериментальные данные о скорости роста усталостных трещин в поковках из сплавов 1933Т3Н, ВТ6ч и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш, полученные на образцах продольной, поперечной и высотной ориентаций в процессе квалификации материалов. Показано, что существенно отличающиеся между собой диаграммы циклической трещиностойкости исследованных материалов могут быть сведены в одну путем введения нормирующего коэффициента, равного отношению их модулей упругости. Установлено наличие анизотропии циклической трещиностойкости, зависящей от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений.
Ключевые слова: алюминиевый сплав 1933Т3Н, титановый сплав ВТ6ч, сталь 08Х15Н5Д2ТУ-Ш, квалификация, испытание, скорость роста усталостных трещин, диаграмма циклической трещиностойкости, разрушение, анизотропия, модуль упругости.
Investigation of Cyclic Crack Resistance of 1933T3N Alloy, VT6ch Alloy and 08Kh15N5D2TU-Sh Steel Forgings. Ye.I. Shvechkov, A.V. Syrov.
The paper shows statistically processed experimental data on fatigue crack growth rates in 1933T3N alloy, VT6ch alloy and 08Kh15N5D2TU-Sh steel forgings. The data were obtained in the process of material qualification using longitudinal, transverse and short-transverse specimens. It is shown that cyclic crack resistance diagrams differed from each other can be reduced to one diagram via introduction of a normalizing coefficient equal to ratio of modulus of elasticity of the materials investigated. The presence of cyclic crack resistance anisotropy which is dependent on amplitude of stress intensity coefficient has been found.
Key words: 1933T3N aluminium alloy, VT6ch titanium alloy, 08Kh15N5D2TU-Sh steel, qualification, test, fatigue crack growth rate, cyclic crack resistance diagrams, failure, anisotropy, modulus of elasticity.
Введение
Конструкция самолета в процессе эксплуатации подвергается воздействию сложного спектра статических и переменных нагрузок, которые при использовании материала с фактическими свойствами, ниже заложенных в расчет, могут привести к преждевременным повреждениям. В связи с этим материалы ос-
новных силовых конструктивных элементов, воспринимающих значительную часть полетных и наземных нагрузок, подлежат квалификации, включающей проведение большого комплекса различного вида испытаний, результаты которых используют для прогноза поведения конкретного вида полуфабриката в составе силовой конструкции самолета.
При проведении квалификационных испытаний особо важное значение приобретает надежность получаемых результатов. Достоверность и полнота экспериментальных данных о свойствах материала при квалификации обеспечивается соблюдением требований, основными из которых являются:
- для исследования отбирают, как минимум, три партии (плавки) серийно выпускаемых полуфабрикатов [1];
- общее число зачетных испытаний образцов одной ориентации вырезки должно быть не менее 100 при определении статических характеристик, 27 - для построения кривой усталости, 9 - для скорости роста усталостных трещин и параметров статической трещино-стойкости [1];
- все виды испытаний проводят на стандартных образцах в строгом соответствии с требованиями действующих стандартов;
- результаты испытаний оформляют в виде протоколов, содержащих полные и однозначные сведения об условиях их проведения;
- право на проведение квалификационных испытаний авиационных материалов имеют только организации, получившие аттестат аккредитации Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, а также Авиационного регистра МАК;
- статистическую обработку экспериментальных данных, полученных в разных организациях, проводят по единым программам.
В перечень полуфабрикатов, подлежащих квалификации, как правило, входят длинномерные плиты для нижней и верхней поверхностей крыла, профили для бортовых стыков и стрингеров, поковки и штамповки для различного рода кронштейнов, элементов шасси и др.
Материал
В работе приведены статистически обработанные экспериментальные данные о скорости роста усталостных трещин (СРТУ) в поковках из алюминиевого сплава 1933Т3Н, титанового сплава ВТ6ч и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш, полученные при проведении квалификационных испытаний.
Исследовали поковки, изготовленные на металлургических заводах по серийной технологии и прошедшие выходной контроль согласно Техническим условиям на поставку. Механические свойства, указанные в Сертификатах качества завода - поставщика, приведены в табл. 1-3.
Каждый материал представлен тремя партиями: плавками для алюминиевого сплава и стали, термосадками одной плавки для титанового сплава. В партии было девять образцов трех направлений вырезки: в равном ко-
Таблица 1
Механические свойства поковок из сплава 1933Т3Н
Но- Направление
мер продольное поперечное высотное
партии МПа а0^ МПа 8, % МПа а0^ МПа 8, % МПа 8, %
1 438 364 12,0 439 367 12,9 422 8,0
2 421 345 13,0 437 360 13,0 422 8,2
3 463 397 11,1 467 405 10,6 455 7,3
Таблица 2
Механические свойства поковок из сплава ВТ6ч в поперечном направлении
Номер термосадки а, МПа 8, % ¥, %
1 938 11,4 22,6
2 938 14,4 22,1
3 940 9,6 20,2
Требования действую- >824 >6,0 >18,0
щих нормативных доку-
ментов
Таблица 3
Механические свойства поковок
из стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш
в поперечном направлении
Партия ав, МПа ао,2, МПа 8, % ¥, %
1 1285 1130 12 62
2 1250 1110 11,5 62
3 1275 1090 10,5 56
личестве продольного (Д-П), поперечного (П-Д) и высотного (В-Д для титанового сплава и стали, Д-В для алюминиевого сплава). Таким образом, общий объем испытаний каждого из исследованных материалов составил 27 образцов трех ориентаций, что в соответствии с [1] достаточно для определения расчетных характеристик СРТУ из материала поковок.
Методики испытаний и обработки экспериментальных данных
Испытания на СРТУ проводили в соответствии с требованиями [2, 3] на прямоугольных компактных образцах с краевой трещиной (тип ВР). Для сплава 1933Т3Н испытывали образцы с размерами в плане 120 х 125 мм толщиной 8,0 мм, а для сплава ВТ6ч и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш использовали образцы меньших размеров в плане (72 х 75 мм) той же толщины. Нагружение образцов осуществляли по синусоидальному циклу с коэффициентом асимметрии Я = 0,1 и частотой 5,0 Гц. За развитием трещины наблюдали визуально по реперным линиям, наносимым на обе поверхности образца при расстоянии между ними 1,0 мм на первых 5 миллиметрах и 2,0 мм при большей длине трещины. Поверхности образцов предварительно полировали. При наблюдении за развитием усталостной трещины применяли дополнительное освещение и оптический прибор с десятикратным увеличением.
Расчет СРТУ проводили на ЭВМ по специальной программе, используя аппроксимацию
экспериментальных данных полиномом второй степени по семи точкам. На печать выводили диаграмму циклической трещиностойкости (ДЦТ) и значения СРТУ при фиксированных амплитудах коэффициента интенсивности напряжений А К. Поскольку сопротивление развитию усталостных трещин исследованных материалов существенно различно, то значительно отличался и диапазон А К, в котором определяли СРТУ. Так, для сплава 1933Т3Н диаграммы циклической трещиностойкости строили в диапазоне А Кот ~ 14 до ~ 35 МПаТм , для сплава ВТ6ч от ~ 21 до ~ 60 МП^л/м, а для стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш от ~ 32 до ~ 100 МПа Тм .
В нормативных документах, регламентирующих определение скорости роста усталостных трещин [2, 3], предложены образцы нескольких типов. Для полуфабрикатов авиационного назначения чаще других используют образцы в виде пластины с центральным надрезом (тип ЦНР) и типа ВР. Первые из них являются предпочтительными при исследовании обшивочных материалов. Вторые более удобны при определении СРТУ в крупногабаритных полуфабрикатах (поковках, штамповках, некоторых видах профилей). Это обусловлено несколькими факторами. Габаритные размеры образцов типа ВР по сравнению с образцами типа ЦНР в несколько раз меньше, что позволяет определять СРТУ не только в продольном и поперечном, но также в высотном направлениях. Они проще в изготовлении
1.00Е-01
1,00Е-02
I
^ 1,00Е-03
1.00Е-04
10
50
100 ЛКэфф, кгс/мм3/2
1.00Е-01
1.00Е-02
I
^ 1.00Е-03
1,00Е-04 10
50 100 ЛКэфф, кгс/мм3/2
б
Рис. 1. Сравнение экспериментальных данных при испытании на СРТУ поковок из сплава 1933Т3Н:
а - направление Д-П; б - направление П-Д; □ - образец типа ЦНР; ♦ - образец типа ВР
п
(ввиду меньших размеров), не требуют приложения больших нагрузок при испытаниях.
Представляет интерес сравнить диаграммы циклической трещиностойкости, полученные на образцах типов ВР и ЦНР. Такие испытания были проведены для продольного (Д-П) и поперечного (П-Д) направлений вырезки образцов шириной 100 мм и толщиной 8,0 мм, изготовленных из поковок сплава 1933Т3Н. Результаты испытаний представлены на рис. 1, из которого видно их хорошее совпадение практически во всем интервале изменения амплитуды эффективного коэффициента интенсивности напряжений АК3фф. Этот факт дополнительно свидетельствует о том, что при испытании на СРТУ материала полуфабрикатов с большими размерами поперечного сечения целесообразно использовать образцы типа ВР.
Размеры образцов мало влияют на значения СРТУ на среднем участке диаграммы циклической трещиностойкости (участке Пэриса) [4-6]. Выбранные в работе размеры образцов позволили провести построение ДЦТ в практически важном диапазоне изменения А К.
Полученные экспериментальные данные были статистически обработаны по известной методике [7] с определением средних значений х, средних квадратических отклонений 5 и коэффициентов вариации у. Всего сформировано восемь выборок, каждая из которых
включала результаты испытаний трех партий идентичных образцов отдельно для сплава и ориентации. Общее число образцов в выборке составляло 9. Для образцов из сплава 1933Т3Н ориентации Д-В статистическую обработку не проводили ввиду получения некорректных результатов СРТУ на значительной части ДЦТ из-за отклонения усталостной трещины от магистрального направления (надреза).
Результаты исследования
Представление об уровне и рассеянии экспериментальных данных о скорости роста усталостных трещин в исследованных материалах поковок дают диаграммы циклической трещиностойкости, приведенные на рис. 2, а - 4, а соответственно для продольного, поперечного и высотного направлений и результаты статистической обработки, обобщенные в табл. 4. На рис. 2, а, 3, а нанесены экспериментальные точки для всех трех материалов, полученных из испытаний девяти образцов трех партий. На рис.4, а приведены ДЦТ направления В-Д для титанового сплава и стали. В табл. 4 для каждого материала и направления вырезки образцов указаны статистические параметры х , 5 и у для пяти значений амплитуды коэффициента интенсивности напряжений А К, охватывающих практически весь диапазон ДЦТ. Значения х для образцов разных направлений использовали
10
0,1
10
1 « 1 4
А
• Л • • 1 * ж
в • { А К
* • 1 X
1 • 4 * 1 * ¡1« 1 А 1 1 X
-* Х
- 4 X * -5—'
4 X и 5 *х
Л- Г X Ж
5* 4 я N 1 *Х
XX £Г *
1*
10
к я ^ 1
20
40
0,1
V »
• 4«
ч • * / *
г ."Л«
. 4 _ Л 'Р X
! ЗН
л=
Г *
¡И*
Г 1
80 10 АК, МПаум
20
40
А К-А-, МПа4м
Рис. 2. Экспериментальные данные о скорости роста усталостных трещин в поковках из алюминиевого сплава 1933Т3Н (•), титанового сплава ВТ6ч и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш (X ). Направление Д-П
а
-Ф-
-Ф-
СТАНДАРТИЗАЦИЯ. СЕРТИФИКАЦИЯ. КАЧЕСТВО
——
х*
г 4
А* А
• \ А 1
.«» 4 1
• / * 1 »• 1 4 г 1 ж
Я
- 1 к х X
* и #
г' X »
1 1
* -
И Их X X
4
2 1
¥
0,1
10
• * Ч
л
* А
1*
1, 1 Iе-
-тхЯ -ГГуГ™
И»1
• ¡г
V
I
10
к а
и ^
20
40
80
0,1
лИ
¿1
3
10
20
40
80
АК, МПа\/м
АК-А-, МПа\/м —/
Рис. 3. Экспериментальные данные о скорости роста усталостных трещин в поковках из алюминиевого сплава 1933Т3Н (Ф), титанового сплава ВТ6ч (А) и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш (X). Направление П-Д
а
10
-Ф-
> 1
2 £
0,1
10
20
40
80
10
0,1
А К, МПа\/м
10
ш
I
20
40
80
-
А К-—-, МПа\/м
Рис. 4. Экспериментальные данные о скорости роста усталостных трещин в поковках из титанового сплава ВТ6ч (А) и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш (X). Направление В-Д
а
в качестве исходных данных при расчете анизотропии СРТУ. Строили графики (рис. 5), отражающие зависимость между степенью анизотропии и А К. На основе результатов табл. 4 проводили также анализ изменения коэффициентов вариации СРТУ в зависимости от А К, что дало возможность оценить рассеяние СРТУ в нескольких точках ДЦТ.
Последовательно остановимся на результатах испытаний поковок из разных материалов. Как отмечалось ранее, каждая поковка была представлена тремя партиями. Характерной особенностью для поковок из сплава 1933Т3Н является то, что во всем исследованном диа-
пазоне изменения амплитуды коэффициента интенсивности напряжений значения СРТУ в партиях 1 и 2 близки между собой и заметно отличаются от СРТУ партии 3 на участке ДЦТ, соответствующем А К > 20 МПаТм. При А К = 31,2 МПа л/м отличие в среднихзначениях СРТУ между партиями достигало уже 1,36 раза. Отмеченный факт согласуется с известным положением о наличии связи между механическими свойствами и характеристиками тре-щиностойкости, а именно, чем выше предел текучести а0)2 и ниже относительное удлинение 8 материала, тем больше СРТУ при высоких значениях А К и меньше вязкость разрушения.
-Ф-
СТАНДАРТИЗАЦИЯ. СЕРТИФИКАЦИЯ. КАЧЕСТВО
Таблица 4
Статистические данные о скорости роста усталостных трещин бэ/бЫ для поковок из сплавов 1933Т3Н, ВТ6ч и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш
Материал Ориентация образца ДК, МПаТм х , мм/кцикл Й, мм/кцикл у, %
1933Т3Н Д-П 15 20 25 30 31,2 0,404 0,834 1,347 2,029 2,306 0,038 0,056 0,177 0,270 0,337 9,50 6,70 13,1 13,3 14,6
П-Д 15 20 25 30 31,2 0,453 0,935 1,653 3,098 3,649 0,044 0,061 0,121 0,545 0,716 9,79 6,54 7,34 17,6 19,6
Д-П 25 30 40 50 60 0,366 0,609 1,456 2,967 5,522 0,011 0,020 0,073 0,173 0,610 2,90 3,20 5,00 5,80 11,0
ВТ6ч П-Д 25 30 40 50 60 0,401 0,676 1,644 3,456 6,571 0,020 0,042 0,151 0,430 1,245 4,90 6,30 9,18 12,5 18,9
В-Д 25 30 40 50 60 0,391 0,654 1,522 3,033 5,222 0,015 0,027 0,179 0,492 0,911 3,70 4,20 11,7 16,2 17,4
Д-П 32 40 60 80 90 0,211 0,340 0,886 1,878 2,478 0,027 0,042 0,108 0,164 0,254 13,0 12,4 12,2 8,70 10,2
08Х15Н5Д2ТУ-Ш П-Д 32 40 60 80 90 0,217 0,359 1,069 2,589 3,622 0,032 0,043 0,128 0,242 0,370 15,0 11,9 12,0 9,40 10,2
В-Д 32 40 60 80 90 0,211 0,352 1,057 2,533 3,567 0,027 0,036 0,096 0,240 0,421 12,9 10,1 9,10 9,50 11,8
Из табл. 1 видно заметное отличие механических свойств между первыми двумя и третьей партиями. В третьей партии поковок ад,2 больше, а § меньше. Отмеченное обстоятельство, в частности, свидетельствует о том, что для получения стабильных данных о характеристиках трещиностойкости целесообразно сужение задаваемого в технических условиях интервала прочностных и пластических свойств материала поковок. Это будет способствовать не только снижению СРТУ, но и повышению характеристик вязкости разрушения. Так, проведенные параллельно испытания на статическую трещинос-тойкость при плоской деформации показали, что во всех трех направлениях вырезки образцов (Д-П, П-Д и В-Д) значения К1с в партиях 1 и 2 на 15-22 % выше, чем в партии 3. Следует, однако, отметить, что, несмотря на различие свойств между партиями, приведенные в табл. 4 значения коэффициентов вариации для СРТУ поковок из сплава 1933Т3Н относительно не велики (6,5-19,6 %) и не выше верхней границы, полученной для однородных по структуре листов из алюминиевых сплавов Д16чТ и В95пч (15-23 %) [4].
Характер разрушения образцов из поковоксплава 1933Т3Н зависел от их направления вырезки. На большинстве образцов продольной и поперечной ориентаций усталостная трещина развивалась в продолжение надреза практически до разрушения. Угол ее отклонения от магистрального направления не превышал допустимого в стандарте [3] значения а = 20°, что позволило корректно опреде-
к 1.
Й С 1 До
С н 1
0>О 1
Н со
* 0.
10
15
20
25
30 35
ЛК, МПа\/м
—гп—I—I I I Сплав БТбч
20
30
40
50
60 70
ЛК, МПа\/м
20 30 40 50 60 70
Сталь 08Х15Н5Д2ТУ-Ш
м I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
80 90 100 ЛК, МПа\/м
Рис. 5.. Зависимость степени анизотропии СРТУ от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений:
1 - отношение СРТУ в направлении П-Д к СРТУ в направлении Д-П; 2 - отношение СРТУ в направлении В-Д к СРТУ в направлении Д-П
лить СРТУ во всем исследованном диапазоне. Иной характер разрушения наблюдался на образцах ориентации Д-В. Здесь направление развития трещины совпадало с направлением надреза на меньшем участке (20-25 мм), а далее трещина распространялась с постоянно возрастающим отклонением.
Из приведенных на рис. 2, а и 3, а экспериментальных данных видно, что они могут быть аппроксимированы двумя прямыми (два участка Пэриса) с точкой перегиба, соответствующей смене вида разрушения на изломе образца от условий плоской деформации (участок, прилегающий к надрезу с фронтом трещины, перпендикулярным боковой поверхности) к условиям плоского напряженного состояния (косой участок с наличием губ среза). Такой вид диаграмм циклической трещиностойкости выражает общую закономерность для большинства полуфабрикатов из разных сплавов, в том числе алюминиевых.
Рассмотрим результаты испытаний на СРТУ поковок из титанового сплава ВТ6ч. Из диа-
грамм циклической трещиностойкости, представленных на рис. 2, а - 4, а, видно, что рассеяние экспериментальных данных при низких АК (25-30 МПаТм) мало (в нижней части ДЦТ точки сгруппированы в узком интервале), а далее увеличивается. Об этом также свидетельствует характер изменения значений коэффициентов вариации СРТУ, приведенных в табл. 4. На наш взгляд, факт небольшого рассеяния при низких АК обусловлен тем, что все три партии поковок из сплава ВТ6ч были изготовлены из одной плавки. Увеличение коэффициентов вариации при возрастании А К связано с рассеянием данных внутри партии, а не с их отличием между партиями. Механические свойства сплава разных партий были также близки (см. табл. 2).
Макроскопический вид изломов образцов из сплава ВТ6ч независимо от их ориентации практически одинаков. Усталостная трещина развивалась в направлении надреза. Основная часть излома (-25 мм) ориентирована перпендикулярно боковым поверхностям образца. Далее видны значительные боковые скосы, т.е. характер разрушения становился типичным для условий плоского напряженного состояния.
В целом полученные результаты испытаний на СРТУ образцов из сплава ВТ6ч согласуются с литературными данными, например [8, 9].
Результаты испытаний образцов из всех трех партий поковок стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш были стабильными. Как внутри партии, так и между партиями, заметных отличий в значениях СРТУ в исследованном диапазоне А К не отмечено. Характерно, что величины коэффициентов вариации, представленные в табл. 4, изменяются мало, находясь в пределах от 8,7 до 15 % при изменении А К от 32 до 90 МПаТм .
Для всех ориентаций образцов из стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш характер разрушения был идентичным - усталостная трещина развивалась в направлении надреза. На значительной части усталостного излома (-15 мм) фронт трещины расположен перпендикулярно поверхности образца, а далее имело место разрушение при наличии значительных боковых скосов.
■ф
1
Обобщение результатов испытаний
Из представленных на рис. 2, а - 4, а данных видно резкое отличие в СРТУ для поковок из алюминия, титана и стали. На рис. 2, б - 4, б, следуя подходу [10, 11], приведены эти же данные, но не в координатах ба/бЫ - А К, а в виде
Ед|
ба/бЫ - А К — , т.е значения А К для титана и 4/
стали умножены на коэффициент, равный отношению модулей упругости (Е,- = 107900 и 186400 МПа соответственно для титанового сплава и стали, Ем = 69650 МПа для сплава 1933Т3Н). Таким образом, осуществлено эквидистантное смещение диаграмм циклической трещиностойкости. За основу для сравнения принят сплав 1933Т3Н. Видно, что все экспериментальные точки независимо от марки материала сгруппированы в относительно узком интервале. В нижней и средней
частях ДЦТ (до ~ 30 МПаУм ) максимальное отличие между отдельными точками не превышает двукратного значения, что характерно для результатов испытаний идентичных образцов одного материала. После А К = 30 МПаТм рассеяние увеличивается, главным образом, вследствие разного наклона ДЦТ (показателя степени в уравнении Пэриса). Это указывает на целесообразность дальнейшего уточнения нормирующего коэффициента за счет введения дополнительного физического параметра материала, учитывающего не только эквидистантное смещение ДЦТ, но и корректирующего их наклон.
Интересным является тот факт, что если в качестве нормирующего параметра выбрать не отношение модулей упругости исследуемых материалов, а отношение их плотностей, то вид представленных на рис. 2, б - 4, б результатов не изменится, поскольку с точностью до 3 % выполняется условие:
4. = 4? = 4з,
Р1 Р2 Р3 ,
где Е1, Е2, Е3 и р1, Р2, Рз - модули упругости и плотности сплавов 1933Т3Н, ВТ6ч и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш соответственно.
Многим полуфабрикатам авиационного назначения присуща анизотропия характеристик разрушения, в том числе скорости роста усталостных трещин. Большой объем экспериментальных данных, полученный на образцах трех ориентаций, позволил построить графики изменения степени анизотропии СРТУ в зависимости от размаха коэффициента интенсивности напряжений (см. рис. 5). Степень анизотропии определили как отношение СРТУ в поперечном или высотном направлениях к СРТУ в продольном направлении. На рис. 5 видно, что общим моментом для поковок из всех материалов является малая степень анизотропии при низких значениях А К. Далее вид графиков для разных материалов становится различным. Для поковок из алюминиевого сплава и стали степень анизотропии при возрастании А К увеличивается соответственно до 1,6 и 1,45, а для титанового сплава значения СРТУ образцов разных ориентаций при повышении АКизменяются существенно меньше, находясь в интервале от 0,95 до 1,2.
Для объяснения полученных результатов необходимо проведение дополнительных структурных и фрактографических исследований. Можно лишь предположить, что низкая степень анизотропии СРТУ в поковках из сплава ВТ6ч обусловлена наличием присущей им равноосной мелкозернистой структуры, обеспечивающей одинаковые условия для продвижения усталостной трещины во всех направлениях. Более высокая степень анизотропии в поковках из алюминиевого сплава 1933Т3Н и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш, скорее всего, связана с направленностью элементов их структуры. Здесь усталостная трещина развивается либо вдоль волокон зерен (на образцах направлений П-Д и В-Д), либо перпендикулярно им (на образцах ориентации Д-П). В первом случае распространение трещины облегчено из-за наличия на пути ее продвижения различного рода включений хрупких избыточных фаз. Во втором случае энергоемкость разрушения выше, а, следовательно, СРТУ ниже из-за тормозящего эффекта границ зерен. Увеличение степени анизотропии по мере возрастания амплитуды коэффициента интенсивности напряжений может быть связано с увеличением размеров зоны пластической деформации в
-Ф-
вершине трещины и вовлечением в нее большего количества элементов структуры, отрицательно влияющих на СРТУ образцов направлений П-Д и В-Д, тогда как на образцах направления Д-П границы зерен по-прежнему служат барьерами на пути распространения трещины.
Выводы
1. В процессе проведения квалификационных испытаний получены и статистически обработаны экспериментальные данные о скорости роста усталостных трещин (СРТУ) в поковках серийного производства из алюминиевого сплава 1933Т3Н, титанового сплава ВТ6ч и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш. Каждый материал представлен тремя партиями и испытан в продольном, поперечном и высотном направлениях.
2. У сплава ВТ6ч и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш значения СРТУ в разных партиях отличаются мало. Это характерно для всех направлений вырезки образцов и всего исследованного диапазона амплитуды коэффициента интенсивности напряжений АК. Одна из трех партий сплава 1933Т3Н по сравнению с двумя
другими показала худшие результаты, в основном при АК 1 20 МПаТм . Вместе с тем коэффициенты вариации у, дающие представление о рассеянии СРТУ, для всех трех материалов и при всех АК не превышают значения 0,20, которое меньше верхней границы для полуфабрикатов с однородной структурой из сплавовД16чТи В95пч.
3. Установлено наличие анизотропии скорости роста усталостных трещин, существенно возрастающей при увеличении амплитуды коэффициента интенсивности напряжений АК для сплава 1933Т3Н и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш и мало изменяющейся для сплава ВТ6ч.
4. Сдвинутые друг относительно друга диаграммы циклической трещиностойкости для поковок из сплавов 1933Т3Н, ВТ6ч и стали 08Х15Н5Д2ТУ-Ш могут быть сведены в одну диаграмму с узкой полосой разброса, характерной для испытаний идентичных образцов, путем введения нормирующего коэффициента, равного отношению модулей упругости или плотностей материалов. Этот факт показан для образцов трех ориентаций - продольной, поперечной и высотной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Расчетные значения характеристик авиационных металлических конструкционных материалов. Справочник. - М.: Объединенная авиастроительная корпорация. 2011. Вып. 3. - 305 с.
2. ОСТ 92127-90. Метод определения скорости роста усталостной трещины при испытании с постоянной амплитудой нагрузки. 1990. 29 с.
3. ASTM Е 647-00. Standard test method for measurement of fatigue crack growth rates. Annual book of ASTM standards. 2002. V. 03. 01. Р. 594-635.
4. Кишкина С.И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1981. -300 с.
5. Швечков Е.И. Влияние геометрических параметров образцов на скорость роста усталостных трещин и вязкость разрушения листов из сплава 1424 // Технология легких сплавов. 2000. № 1. С.7-11.
6. Швечков Е.И. Влияние размеров образца на скорость роста усталостных трещин в листах из
сплава 01545М // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2005. № 4. С. 61-66.
7. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. Справочник. - М.: Машиностроение, 1985. - 231 с.
8. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав. Структура. Свойства. -М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. - 519 с.
9. Дроздовский Б.А., Проходцева Л.В., Новосильцева Н.И. Трещиностойкость титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1983. - 192 с.
10. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. - Уфа: Монография, 2003. - 802 с.
11. Херцберт Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов. - М.: Металлургия, 1989. - 575 с.
