CC BY
167
УДК 629.735.084
Масштабная иерархия процессов малоцикловой, многоцикловой и сверхмногоцикловой усталости разрушения титанового сплава ВТ3-1
А.А. Шанявский1, А.Л. Никитин2, T. Palin-Luc3, C. Bathias4
1 Государственный центр «Безопасность полетов на воздушном транспорте», Аэропорт Шереметьево-1, Москва, 141426, Россия
2 МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского, Москва, 121552, Россия 3 Ecole National Supérieure des Arts et Métiers, Talence, 33405, France 4 Laboratoire Energétique, Mécanique et Electromagnétisme, Université Paris Ouest, Ville d'Avray, 92410, France
Выполнена систематизация закономерностей развития усталостных трещин в области мало-, много- и сверхмногоцикловой усталости в образцах из титанового сплава ВТ3-1, вырезанных из дисков компрессора авиационного двигателя. Выявлен бимодальный характер зависимости относительного периода роста трещины от долговечности в области малоцикловой усталости. Показано, что закономерности разрушения на микроскопическом и макроскопическом масштабных уровнях имеют одинаковую природу. После штамповки диска материал представляет собой структуру с чередующимися слоями с пониженной и высокой пластичностью. Трещины зарождаются в слоях с пониженной пластичностью, затем развиваются различные процессы разрушения в зависимости от ориентации трещины по отношению к волокнам материала. Зарождение трещин под поверхностью происходит от границ раздела структурных элементов или путем хрупкого разрушения а-фазы. Обсуждены модели формирования различных очагов разрушения под поверхностью в области сверхмногоцикловой усталости.
Ключевые слова: мало-, много- и сверхмногоцикловая усталость, трещина под поверхностью, титановый сплав
Scale hierarchy of low cycle, high cycle, and ultrahigh cycle fatigue
in VT3-1 titanium alloy
A.A. Shanyavsky1, A.L. Nikitin2, T. Palin-Luc3, and C. Bathias4
1 State Centre of for Civil Aviation Flight Safety, Sheremetyevo-1 Airport, Moscow, 141426, Russia 2 Tsiolkovsky Russian State Technological University, Moscow, 121552, Russia 3 Ecole National Supérieure des Arts et Métiers, Talence, 33405, France 4 Laboratoire Energétique, Mécanique et Electromagnétisme, Université Paris Ouest, Ville d'Avray, 92410, France
The paper systemizes the regularities of fatigue crack growth in low, high, and ultrahigh cycle fatigue in VT3-1 titanium alloy specimens cut out from disks of an aircraft engine compressor. It is found that the relative crack growth period displays a bimodal dependence on low cycle fatigue life. It is shown that the regularities of fracture on micro- and macroscales are similar in nature. When forged, the disk material is structured as altering layers of low and high plasticity. Fatigue cracks nucleate in low-plasticity layers and further develop by different patterns depending on their orientations with respect to fiber orientations. Subsurface cracks nucleate either at the interfaces of structural elements or in the а-phase through its brittle fracture. Models of subsurface crack nucleation in ultrahigh cycle fatigue are discussed.
Keywords: low, high, and ultrahigh cycle fatigue, subsurface crack, titanium alloy
1. Введение
В физической мезомеханике введено представление
о масштабной иерархии процессов эволюции нагруженного металла как синергетической системы, которые
ему присущи и самоорганизованно проявляются по мере увеличения молярного объема, участвующего в накоплении дефектов до критического уровня [1]. В связи с этим на разных этапах эволюции структуры металла при его циклическом нагружении могут быть реализо-
ваны иерархически упорядоченные процессы накопления повреждений, к которым следует возвращаться при переменных уровнях нестационарного нагружения. Следовательно, процессы эволюции или механизмы разрушения металла не возникают произвольным образом, а проявляются при достижении критического молярного объема.
Титановые диски компрессоров авиационных двигателей, как правило изготавливаемые из сплава ВТ3-1,
© Шанявский A.A., Никитин А.Л., Palin-Luc T., Bathias C., 2014
испытывают в эксплуатации различные по виду и интенсивности нагрузки в период цикла запуска, работы и остановки двигателя за полет. В зависимости от зон, где зарождаются и развиваются усталостные трещины, разрушение может быть реализовано по критериям малоцикловой, многоцикловой и сверхмногоцикловой усталости [2-4]. Различие в поведении металла на разных уровнях напряжения связано с разномасштабнос-тью процессов накопления повреждений. Переходы от одного масштабного уровня к другому соответствуют достижению в эволюции поведения металла неустойчивого состояния, когда при одном и том же уровне напряжения в металле могут быть реализованы два разных способа накопления повреждений с переменной вероятностью по мере изменения уровня напряжения (рис. 1). Важно подчеркнуть, что эволюция дефектной структуры металла как синергетической системы происходит в направлении возрастания масштабов самоорганизации дефектов в связи с возрастанием уровня действующего циклического напряжения. Существенно, что применительно к макроскопическому масштабному уровню, когда накопление повреждений реализуется в области малоцикловой усталости, в титановых сплавах проявляется их чувствительность к виду нагружения.
Введение в цикл нагружения выдержки в течение 20 с может сопровождаться существенным снижением долговечности и периода роста трещины [5]. Наиболее явно влияние выдержки выражено в том случае, когда испытания проводят на дисках компрессоров, подвергавшихся деформации в результате процесса штамповки, или на образцах, которые были вырезаны из штампованных дисков. По-видимому, в технологическом цикле изготовления дисков в объеме металла возникает
напряженное состояние, которое существенно влияет на чувствительность титанового сплава ВТ3-1 к условиям его нагружения, в частности к выдержке под нагрузкой.
В зонах ободной части дисков, где существенное значение имеет воздействие на материал циклических высокочастотных нагрузок от колеблющихся лопаток, могут возникать условия для разрушения материала в области многоцикловой и даже сверхмногоцикловой усталости. Эта ситуация типична, например, для изготавливаемых по новой технологии дисков компрессоров, у которых лопатки и диски представляют собой одну деталь [6]. В корневой части лопаток, в зоне перехода от лопатки собственно к диску, могут накапливаться повреждения в области сверхмногоцикловой усталости из-за возникновения условий для резонансных колебаний лопаток.
Для явления сверхмногоцикловой усталости характерно возникновение усталостных трещин под поверхностью материала [7, 8]. Такое поведение металлов указывает на то, что поверхностный слой проявляет себя при высокочастотном воздействии как самостоятельная подсистема. В этом случае именно свойство металла сопротивляться процессу накопления усталостных повреждений проявляет себя в полной мере.
Применительно к дисковым сплавам, в частности к титановому сплаву ВТ3-1, представляет большой интерес исследование его поведения после процесса штамповки диска с целью выяснения механизмов разрушения, возникающих на разных масштабных уровнях. Имеющаяся технологическая наследственность может проявиться как при испытании материала с выдержкой под нагрузкой, так и в случае низкоамплитудного высокочастотного нагружения в области сверхмногоцикло-вой усталости.
Важно подчеркнуть, что работы по исследованию поведения титанового сплава ВТ3-1 в области сверхмногоцикловой усталости ранее не проводились, тогда как именно при низкоамплитудном нагружении локализованные процессы накопления повреждений в неоднородной среде должны проявляться наиболее ярко в различных зонах штампованного материала.
Рис. 1. Бифуркационная диаграмма усталости металлов N -а, построенная в соответствии с диаграммой растяжения а - 8. Указаны области бифуркации (Ада )• при переходах к микро- или нано- (а^ -а^), мезо- (а^ -аи макро-масштабным (а-ауровням разрушения
Рис. 2. Двухфазная (а + В)-структура образцов сплава ВТ3-1
Таблица 1
Al, % Mo, % Cr, % Fe, % C, % Si, % Zr, % N, % O, % H, % Ti, %
5.5-7.0 2-3 0.8-2.0 0.2-0.7 <0.1 0.15-0.40 <0.5 <0.05 <0.15 <0.015 Основа
Ниже представлено обобщение результатов исследования закономерностей зарождения и развития усталостных трещин в образцах из титанового сплава ВТ3-1, полученных в области малоцикловой-многоцикловой-сверхмногоцикловой усталости.
2. Методика исследования
Испытания проведены на образцах титанового сплава ВТ3-1, вырезанных из диска компрессора первой ступени низкого давления двигателя Д30-КУ. Данный диск выбран в качестве объекта исследования в связи с тем, что в нем в процессе эксплуатации зарегистрированы случаи зарождения и развития трещин [3]. Сплав ВТ3-1 имеет смешанную глобулярно-пластинчатую двухфазную (а + Р)-структуру (рис. 2). Во всех исследованных зонах дисков химический состав сплава соответствовал требованиям по чертежу. Марочный состав сплава ВТ3-1 представлен в табл. 1.
Испытания на малоцикловую усталость выполнены при двух формах цикла нагружения — треугольная с частотой 2 Гц и трапецеидальная с выдержкой под нагрузкой в течение 20 с (рис. 3). Образцы цилиндрической формы с диаметром рабочей части 5 мм изготавливали в зонах под захваты большего диаметра с резьбой, чтобы обеспечить требуемую жесткость при реализации
высокого уровня деформации. Испытания проводили при постоянной максимальной деформации трех уровней 0.0065, 0.0073 и 0.0080. Результаты представлены на рис. 4.
Испытания на многоцикловую-сверхмногоцикло-вую усталость выполнены в лаборатории ITMA в Парижском университете, а также в лаборатории в г. Бордо. При испытанияях на многоцикловую-сверхмногоцикло-вую усталость использовался специальный испытательный стенд для нагружения круглых образцов диаметром 3 мм при двух асимметриях цикла 0.1 и -1.0 с частотой около 20 Гц. Подробное описание стенда и методики проведения испытаний представлено в [8].
Образцы вырезали из титанового диска компрессора первой ступени двигателя Д30-КУ в трех различных направлениях — осевом, радиальном и круговом. Радиальные и круговые образцы вырезали из полотна диска, а осевые образцы (вдоль оси диска) — из ободной части (рис. 5). Для осевых образцов выполнены два вида их подготовки: 1) механический способ без полировки; 2) полировка. Все испытанные образцы подвергали фрактографическому и микрорентгеноспектральному анализу на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EV0-40 с использованием приставки Inca.
3. Разрушение в области малоцикловой усталости
Развитие трещин во всех образцах происходило в условиях значительного влияния волокнистой структуры штампованного материала на реализуемый механизм разрушения. Все случаи развития трещин сведены к трем категориям: вдоль волокон, под углом и перпендикулярно к ним (рис. 6). Вдоль волокон трещина распространяется, первоначально образуя каскад мезотун-нелей с квазихрупкими элементами рельефа, отражающими двухфазную структуру материала (рис. 7, а). Далее трещина разворачивается и распространяется в перемычках между мезотуннелями в поперечном к ним
Время, с
Рис. 3. Циклограммы нагружения круглых образцов в области малоцикловой усталости при треугольной (а) и трапецеидальной (б) форме цикла
Рис. 4. Результаты испытаний образцов в области малоцикловой усталости для трех уровней постоянной деформации при треугольной и трапецеидальной форме цикла нагружения
Образцы на растяжение Образцы на растяжение-сжатие
Рнс. 5. Вид фрагмента диска с расположением образцов, изготовленных для испытаний в области сверхмногоцикловой усталости при асимметрии цикла R = 0.1 и -1.0
направлении с формированием рельефа излома в виде усталостных бороздок. Под углом к волокнам трещина распространяется таким образом, что в изломе есть участки с усталостными бороздками и участки рельефа квазихрупкого разрушения без выраженной закономерности в последовательности их образования. Перпендикулярно к волокнам трещина распространяется с формированием чередующихся по направлению ее роста участков с усталостными бороздками и квазихрупким рельефом (рис. 7, б).
Описанные общие закономерности развития разрушения при разной форме цикла нагружения указывают на то, что в материале после штамповки дисков происходит самоорганизованное формирование чередующейся по уровню пластичности волокнистой структуры.
Данное заключение согласуется с результатами мик-рорентгеноспектрального анализа, который показал,
что в исследованном сплаве в а-фазе отсутствует легирующий элемент Мо. Его нет в пределах зон на поверхности излома, которые разрушились с формированием усталостных бороздок и квазихрупкого рельефа (рис. 8).
Исследования в плоскости шлифа показали, что аналогичное различие по содержанию Мо существует в материале и на удалении от излома — его нет в а-фазе, в Р-фазе его концентрация достигает 6 %, что в 2 раза выше для марочного состава сплава. В области, захватывающей несколько зон одновременно с группой а- и Р-фаз, средняя концентрация Мо близка к марочному составу сплава — около 3 %.
Следовательно, выявленное различие в механизме разрушения сплава ВТ3-1 обусловлено не вариацией его локального химического состава, а наличием в нем неоднородного распределения остаточных напряжений, оказывающих различное влияние на механизм разрушения. В процессе штамповки дисков в этом сплаве возникают волны напряжений, которые вызывают формирование чередующихся волокон упрочненного (вязкого) и переупрочненного (с пониженной вязкостью) материала (рис. 9).
Возникающий в процессе усталостного разрушения эффект мезотуннелирования трещины с первоначальным формированием квазихрупких элементов рельефа излома предопределен первоначальным разрушением материала по переупрочненным волокнам (рис. 9, б). Далее трещина разворачивается и движется поперек более вязких волокон материала, что приводит к формированию усталостных бороздок. Фактически речь идет о возникновении композиционной структуры титанового
Рис. 6. Вид изломов образцов, в которых процесс роста трещины был реализован вдоль (а, б ), под углом ( в) и перпендикулярно волокнам материала. Излом сформирован при треугольной (а) и при трапецеидальной форме цикла нагружения (б )
Рис. 7. Рельеф излома, сформированный в образце в результате роста трещины вдоль (а) и поперек волокон (б). Стрелки указывают направление роста трещины. Линиями отмечены области разрушения с формированием усталостных бороздок 1 и с формированием развитого рельефа без бороздок 2 в пределах охрупченных волокон
сплава после его штамповки — в направлении действия штампа возникают волокна с чередующейся последовательностью низких и высоких пластических свойств.
Сформированные плоские элементы волокнистой структуры находятся в условиях двухосного напряженного состояния (рис. 9, б ), что согласуется с анализом рельефа излома. В этом случае рост трещин поперек волокон связан с менее жестким напряженным состоянием материала при полуэллиптической форме фронта трещины, чем в случае роста трещины вдоль волокон [10]. Упрочненные волокна разрушаются с формированием усталостных бороздок, а переупрочненные — с формированием квазихрупкого рельефа, независимо от ориентации магистрального роста трещины по отношению к волокнам. Однако из анализа излома следует, что в случае роста трещины поперек волокон участки без бороздок имеют более развитый (вязкий) рельеф излома, чем в случае формирования мезотун-нелей. В обоих обсуждаемых случаях формирование усталостных бороздок происходит при развитии полуэллиптического по форме фронта трещины, что соответствует менее жесткому напряженному состоянию материала при двухосном растяжении.
Для оценки роли формы цикла нагружения на поведение сплава ВТ3-1 проведены измерения шага усталостных бороздок и построены зависимости его величины от длины трещины. Произвольно была отобрана группа из трех образцов с максимальной и минимальной долговечностью для каждого уровня деформации после испытаний по треугольной форме цикла для определения доли периода роста трещины NpjNf в зависимости от долговечности Nf (рис. 10). Получили два вида зависимости: одна характеризует улучшение в по-
ПЛ
IwmKa
JM
'AK i^Hr - ¿^ИТР v llrwifl
Ел^'7 МШт
10 мкм
I-1
LГ1
ШшШ
ШГТ^шЯтъ^ - Ша ШЁЯШк
Рис. 8. Рельеф излома (а, в) и спектрограммы (б, г) с участков излома с фасеткой квази скола 1 (а, б) и усталостными бороздками 2 (в, г)
И
Волна пластической деформации
'-"М Вязкие волокна
с
Л Хрупкие волокна
Мезотуннели
Направление
роста
трещины
Рис. 9. Схема формирования волокнистой структуры материала диска в процессе его штамповки (стрелка указывает направление перемещения штампа) (а) и схема распространения трещины в поле двухосного растяжения волокон с указанием различий процессов разрушения при разном направлении роста трещины (б)
ведении материала, когда доля периода роста трещины при снижении долговечности составляет более 50 %, и другая — его ухудшение, когда даже при долговечности 5000 циклов доля периода роста трещины не превышает 30 %.
Выявленное различие в поведении материала отражает различие в свойствах титановых дисков, которые в случае переупрочнения показали низкую долю периода роста трещины при разной долговечности.
Рассмотрение всех образцов, испытанных при треугольной форме цикла нагружения, показало, что экспериментальные данные имеют большое рассеивание и они в большей мере группируются вокруг кривой с наименьшей долей периода роста трещины в долговечности.
В случае трапецеидальной формы цикла оказалось, что доля периода роста трещины только некоторой части образцов соответствует кривой с ее максимальной величиной при той же долговечности (рис. 10). Большая часть образцов вообще не имеет зависимости относительной доли периода роста трещины от долговечности. Этот факт указывает на то, что при выдержке под нагрузкой материал быстрее теряет свою способность сопротивляться циклической нагрузке, т.к. охрупченные,
Без выдержки 1 Без выдержки 2 Все образцы
10000
Л^, цикл
15000 20000
♦ Без выдержки 1 ■ Без выдержки 2
• С выдержкой
10000
Л^, цикл
15000 20000
Рис. 10. Бимодальная зависимость доли периода роста трещины Ыр/от долговечности N1 в образцах, испытанных при треугольной форме цикла нагружения (а) и при всех видах нагружения (б)
переупрочненные волокна быстрее разрушаются и скорость роста трещины существенно возрастает.
Таким образом, на макроскопическом масштабном уровне в области малоцикловой усталости штампованный сплав ВТ3-1 имеет существенную неоднородность по направлению сформированной волокнистой структуры. Это приводит к чередованию волокон с разными пластическими характеристиками, когда доминирует разброс в усталостных характеристиках материала относительно выраженной бимодальной зависимости доли периода роста трещины N^1Щ от долговечности Ní.
4. Разрушение в области многоцикловой-сверхмногоцикловой усталости
Полученные усталостные кривые свидетельствуют об отсутствии различий в долговечности образцов, изго-
Рис. 11. Усталостная кривая в области сверхмногоцикловой усталости образцов сплава ВТ3-1, испытанных с асимметрией цикла ^ = 0.1
товленных в осевом и радиальном направлениях и испытанных при асимметрии цикла R = 0.1 (рис. 11). Анализ очагов разрушения, расположенных под поверхностью образцов, показал, что зарождение трещины происходит от границы зерен или в пределах зерна с формированием каскада гладких фасеток разрушения пластинчатой или глобулярной а-фазы. Из этого следует, что в пределах сформированной волокнистой структуры штампованного материала решающую роль в зарождении трещин играют волокна с пониженной пластичностью при произвольной ориентации структурных элементов по отношению к оси приложения нагрузки.
Зарождение трещин под поверхностью также связано с первоначальным формированием зоны в виде каскада гладких фасеток разрушения а-фазы, имеющей пластинчатую форму.
В случае испытаний с асимметрией цикла R = -1.0 выявлено многообразие очагов разрушения под поверх-
ностью, в том числе совпадающих с видом очагов, выявленных в образцах, испытанных при положительной асимметрии цикла. Очаг зарождения трещины, как правило, располагается на небольшом расстоянии от поверхности образца, хотя в некоторых случаях он располагался почти в центре образца (рис. 12).
Выявлены следующие виды очагов разрушения: 1) граница перехода от одного направления расположения блока пластинчатой структуры к другому (рис. 12, в); 2) мелкозернистая зона (рис. 12, г), наблюдаемая при долговечности 109 циклов и более; 3) блок фасеток, образованных в результате разрушения по пластинчатой структуре (рис. 12, Э); 4) единичная гладкая фасетка разрушения по глобулярной по форме а-фазе (рис. 12, е).
Разнообразие видов очагов разрушения отражает разнообразие в реакции структурных элементов деформируемого материала на циклическое нагружение. Зарождение трещины происходит в структурных элемен-
Рис. 12. Вид изломов образцов в области сверхмногоцикловой усталости с очагами, расположенными почти в центре образца (а, б), а также особенности рельефа излома очагов путем зарождения трещины на границе раздела блоков двухфазовой (а + Р)-структуры (в), путем формирования мелкокристаллической зоны излома (г), путем первоначального раскалывания пластинчатой (Э) и глобулярной а-фазы (е)
Рис. 13. Фрагмент излома около поверхности образца, испытанного в области малоцикловой усталости при трапецеидальной форме цикла нагружения, с фасеткой квазискола по а-фазе
тах, разупрочненных в процессе штамповки, либо на границе между группами структурных элементов, насыщенной дефектами (например между блоками пластинчатой структуры).
Подтверждением такого представления о реакции материала на высокочастотное нагружение служит анализ участков разрушения образцов, испытанных на малоцикловую усталость с выдержкой. В некоторых образцах в зоне начального разрушения были выявлены гладкие фасетки разрушения (рис. 13), аналогичные тем, что явились очагами разрушения в области сверх-многоцикловой усталости. Выдержка под нагрузкой активизировала процесс разупрочнения материала по ослабленным плоскостям скольжения в а-фазе и выявила наиболее ослабленные плоскости скольжения деформированного материала.
Сопоставление полученных усталостных кривых в области перехода от сверхмногоцикловой к многоцикловой усталости при разной асимметрии цикла показало, что у полированных образцов уровни напряжения почти на 20 % выше при той же долговечности, чем у неполированных образцов (рис. 14). Переход от пульсирующего цикла нагружения с асимметрией 0.1 к симметричному циклу нагружения сопровождается снижением уровня напряжения также почти на 20 %, при котором достигается одинаковая долговечность образцов.
Указанные результаты свидетельствуют о чувствительности титанового сплава к состоянию его поверхности. После механической обработки при изготовлении образцов в поверхностном слое имеются риски различной глубины, которые существенно влияют на долговечность образца при прочих равных условиях, если трещины зарождаются на поверхности. В нашем случае зарождение трещины происходило на небольшом удалении от поверхности даже при долговечности 10 циклов. Следовательно, возрастание уровня напряжения при равной долговечности образцов после их ручной полировки следует связывать с небольшим упрочнением поверхности. Созданные сжимающие напряжения в поверхностном слое способствовали возрастанию долговечности материала при прочих равных условиях.
5. Обсуждение результатов исследований
Проведенные исследования показали, что образцы из дискового титанового сплава ВТ3-1 имеют высокую чувствительность к условиям их нагружения как в области малоцикловой, так и в области сверхмногоцикло-вой усталости. Это выражено, в первую очередь, в доминирующем формировании элементов рельефа в виде фасеток хрупкого разрушения по пластинчатой или глобулярной структуре, мезотуннелировании трещины и в сочетании участков с формированием усталостных бороздок и в формировании более развитого в пространстве, но также отражающего структуру материала рельефа без усталостных бороздок (рис. 7). Введение в цикл нагружения выдержки под нагрузкой ускоряет процесс накопления повреждений в разупрочненном металле на макроскопическом масштабном уровне. Степень разупрочнения материала по объему диска различна, поэтому в вырезанных из дисков образцах наблюдается неоднозначная связь между долговечностью и периодом роста трещины. Введение выдержки в цикл нагружения усиливает квазихрупкое разрушение материала, что приводит к доминированию низкой доли периода роста трещины в долговечности. Выдержка под нагрузкой позволяет проявить все виды неоднородности по напря-
Рис. 14. Усталостные кривые полированных и неполированных образцов сплава ВТ3-1 в области сверхмногоцикловой усталости, испытанных с разной асимметрией цикла
женному состоянию материала, которые оказываются центрами зарождения трещин на поверхности образца, а также определяют ускорение их распространения.
Выявленное бимодальное распределение соотношения N^1 Nf в зависимости от долговечности N при существенном его разбросе отражает неоднородность напряженного состояния материала дисков. Отсутствие различий в химическом составе сплава в зонах разрушения и в плоскости шлифов указывает на то, что решающее значение в поведении образцов имеет остаточная пластичность. Она переменна по направлению волн деформации штампуемого диска, что приводит к формированию слоистой структуры с переменными пластическими свойствами. Трещины, естественно, зарождаются в наиболее слабых местах: ослабленных слоях материала или в случае сверхмногоцикловой усталости на границах раздела фаз (на границах пластин а-фазы) или на границах субзерен (блоков (а + Р)-фаз).
Циклическое нагружение с высокой частотой (сверх-многоцикловая усталость) проявляет ослабленность границ пластинчатой а-фазы и отдельные пластины испытывают интенсивную сдвиговую деформацию (рис. 12, Э). Такая картина не наблюдается в области малоцикловой усталости. Расслоение материала, в том числе и по пластинчатой структуре, не сопровождалось образованием экструзий по границе пластин а-фазы. По-видимому, возникновение указанного эффекта следует относить к особенностям поведения в-фазы в случае высокочастотного нагружения. Она разрушается под действием циклической нагрузки и при формировании излома по а-фазе остается на одной половине излома в виде уступа, а на другой половине в виде впадины (несплошности по границе пластины а-фазы). Происходит «разрыхление» материала по в-фазе, что может влиять на его последующее разрушение в пределах охрупчен-ной и ослабленной а-фазы.
Таким образом, и на макроскопическом (малоцикловая усталость), и на микроскопическом (сверхмного-цикловая усталость) масштабном уровне решающее значение имеет квазихрупкое разрушение слоев а-фазы. Помимо этого, в условиях сверхмногоцикловой усталости при асимметричном цикле нагружения очаги разрушения связаны с формированием так называемой мелкокристаллической зоны (рис. 12, г). Этот вид рельефа отражает процесс формирования наноструктуры в металле при накоплении повреждений в очаге разрушения под поверхностью [9]. Волны напряжений, которые создают в вершине трещины сильную кривизну и генерируют моментные напряжения, приводят к возникновению вихревых потоков деформации. Они фраг-ментируют материал и влияют на исчерпание остаточной пластичности металла.
Внутренние остаточные напряжения, существующие после штамповки диска, складываются с напряжениями при внешнем циклическом деформировании ма-
териала на разных масштабных уровнях в условиях малоцикловой или сверхмногоцикловой усталости. На восходящей ветви нагружения в металле реализуется растяжение при сложном напряженном состоянии, а на его нисходящей ветви возникает гидростатическое сжатие. Введение выдержки под нагрузкой в области малоцикловой усталости позволяет накапливать повреждения в пластичных слоях в период выдержки в условиях растяжения. Это создает сильное различие деформаций пластичных и переупрочненных слоев материала. В результате этого в условиях нагружения с выдержкой доминирует распространение трещины с формированием мезотуннелей, что приводит к понижению сопротивления зарождению и росту трещины. Этот эффект проявляется и без выдержки в условиях малоцикловой усталости в том случае, когда при штамповке была сформирована сильно разупрочненная волокнистая структура. В ней чередующиеся ансамбли волокон реализуют механизм квазихрупкого разрушения (с низкой пластичностью) в пределах первоначально создаваемых мезо-туннелей, а далее протекает вязкое разрушение материала с формированием усталостных бороздок между мезотуннелями.
Существование большого разброса по пластичности материала, которое отражается зависимостью соотношения N^1 Nf от долговечности наблюдается и в случае испытаний в области сверхмногоцикловой усталости. Так, например, на рис. 14 при уровне напряжения около 400 МПа разброс полученных экспериментальных данных составляет почти 3 порядка: разрушение наблюдалось при долговечности 2 • 107 циклов и не наблюдалось при долговечности 1010 циклов. Эти результаты показывают, что испытания на сверхмногоцикло-вую усталость могут быть использованы в качестве способа выявления неоднородности состояния материала. В случае зарождения трещины под поверхностью определяющую роль в накоплении повреждений играют границы раздела внутренней структуры. Поэтому проявление структурной неоднородности материала, в первую очередь, определяет места расположения очагов разрушения и механизм их формирования под поверхностью.
6. Выводы
В процессе деформирования титанового сплава ВТ3-1 в рамках реализуемого технологического цикла изготовления дисков для компрессоров авиационных газотурбинных двигателей возникают волны напряжений, которые приводят к формированию слоистой структуры с различными пластическими свойствами.
На разных масштабных уровнях зарождение усталостных трещин в сформированной слоистой структуре происходит первоначально в слое охрупченного материала, имеющего пониженную пластичность.
В области малоцикловой усталости (макромасштаб) механизмы разрушения реализуются в разной последовательности из-за существующей зависимости механизма разрушения от направления роста трещины по отношению к волокнистой структуре металла. В случае роста трещины параллельно волокнам первоначально происходит формирование мезотуннелей вдоль охруп-ченных волокон. Далее происходит соединение перемычек между мезотуннелями и трещина растет в перпендикулярном направлении по отношению к генеральному направлению разрушения путем формирования усталостных бороздок в пределах вязких волокон.
Развитие трещины в области малоцикловой усталости перпендикулярно ориентации волокон приводит к чередованию участков с усталостными бороздками (разрушение вязких волокон) и более развитому (вязкому), но отражающему структуру материала рельефу излома без бороздок (разрушение охрупченных волокон).
Зависимость доли периода роста трещины Ир/ N от долговечности N в области малоцикловой усталости имеет бимодальный характер, что характеризует принципиальное различие в пластических свойствах материала штампованных дисков по различным его зонам. Добавление выдержки в течение 20 с к циклу на-гружения приводит к исчезновению указанной зависимости, и постоянство величины N сохраняется в диапазоне изменения долговечности (4 ■ Ш) -103 циклов.
На микромасштабном уровне в области сверхмного-цикловой усталости зарождение трещин под поверхностью происходит путем раскалывания охрупченных волокон по а-фазе, а также по границам раздела структурных элементов с максимальной неоднородностью состояния границ по напряженному состоянию. Выявлен также эффект формирования мелкокристаллической зоны, который связывается с кривизной структуры в вершине трещины. Данный эффект наиболее отчетливо проявляется при нагружении с асимметрией цикла R = -1.
Кривые усталости для полированных и неполированных образцов при асимметрии цикла R = -1 показали, что механическая полировка приводит к возрастанию максимального напряжения на 20 % в диапазоне долговечностей (5 -106) ■ Ю10 циклов. Во всех случаях
7 10
в диапазоне долговечностей 10' ■ 10 циклов зарождение трещин происходило под поверхностью.
Анализ вариации химического состава сплава показал, что в плоскости шлифа и в плоскости излома име-
ется аналогичное перераспределение Мо и Cr. Из этого следует, что основную роль в зарождении и развитии разрушения титанового сплава ВТ3-1 играют напряженное состояние и границам раздела материала, имеющего волокнистую структуру.
Работа выполнена в рамках совместной программы исследований между Россией и Францией. Испытания на малоцикловую усталость выполнены в НПО «Сатурн» на машинах «MTS» А.М. Портером и О.В. Коваленко.
Литература
1. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Деформируемое твердое тело как нелинейная иерархически организованная система // Физ. мезомех. -
2011. - Т. 14. - № 3. - С. 7-26.
Panin V.E., Egorushkin V.E. Deformable solid as a nonlinear hierarchically organized system // Phys. Mesomech. - 2011. - V. 14. -No. 5-6. - P. 207-223.
2. Шанявский A.A. Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации. - Уфа: Монография, 2007. - 495 с. Shanyavsky A.A. Simulation of Fatigue Fracture of Metals. Synergetics in Aviation. - Ufa: Monografiya, 2007. - 495 p.
3. Шанявский A.A. Безопасная эксплуатация дисков I ступени КНД двигателей семейства Д-30КУ по критерию роста усталостных трещин // Безопасность полетов. - 2011. - № 1. - С. 20-49. Shanyavsky A.A. Safe operation of first-stage LPC disks of D-30KU engines by fatigue crack growth criteria // Bezopasn. Polyot. - 2011. -No. 1. - P. 20-49.
4. Шанявский A.A. Влияние условий нагружения титановых дисков компрессора газотурбинных двигателей на обеспечение безопасности эксплуатации двигателей // Безопасность полетов. - 2012. -№ 6. - С. 4-23.
Shanyavsky A.A. Effect of loading conditions of titanium disks in gas turbine engine compressors on safe engine operation // Bezopas. Polyot. - 2012. - No. 6. - P. 4-23.
5. Burago N.G., Nikitin I.S., Shanyavskiy A.A., Zhuravlev A.B. Durability
estimation for in-service titanium compressor disks subjected to multiaxial cyclic loads in low- and very-high-cycle-fatigue regimes // Book of Abstracts, 19 European Conf. Fracture, Kazan, August 26-31,
2012. - P. 273.
6. Белоусов Г.Г., Никитин A.Д., Шанявский A.A. Модель усталостного
разрушения в эксплуатации титанового диска вентилятора двигателя ТА12-60 // Научный вестник МГТУ ГА. - 2013. - № 187. -С. 103-107.
Belousov G.G., Nikitin A.D., Shanyavsky A.A. Model of fatigue fracture during the operation of fan disks of a ТА12-60 engine // Nauchn. Vestnik MGTU GA. - 2013. - No. 187. - P. 103-107.
7. Bathias C., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. -NY, USA: Marcel Dekker, 2005. - 304 р.
8. Very High Cycle Fatigue: Proc. Int. Conf. VHCF5, DVM, June 28-30, 2011, Berlin, Germany / Ed. by C. Berger, H.-J. Christ. - 2011. -598 р.
9. Шанявский A.A. Самоорганизация наноструктур в металлах при сверхмногоцикловой усталости // Физ. мезомех. - 2012. - Т. 15. -№ 5. - С. 91-105.
Shanyavskiy A.A. Self-organization of nanostructures in metals under ultrahigh cycle fatigue // Fiz. Mezomekh. - 2012. - V. 15. - No. 5. -P. 91-105.
Поступила в редакцию 18.02.2014 г.
Сведения об авторах
Шанявский Андрей Андреевич, д.т.н., проф., нач. отд. ГЦ БП ВТ, [email protected] Никитин А.Л., МАТИ, [email protected]
Palin-Luc Thierry, ENSAM, Talence, France, [email protected]
Bathias Claude, LEME, Univ. Paris Ouest, Ville d'Avray, France, [email protected]
