CC BY
32
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ
ЭКСПЛУАТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В АВИАЦИИ Котелкин А.В., к.т.н. (e-mail: 13niisu@gmail.com)
Роберов И.Г., д.т.н. (e-mail: roberov@yandex.ru)
МатвеевД.Б., к.т.н. (e-mail: 13niisu@gmail.com)
Леднев И. С., аспирант (e-mail: 13niisu@gmail.com) ФГУП «Научно-исследовательский институт стандартизации и унификации», г.Москва, Россия
Прогнозирование остаточного ресурса основано на возможности наблюдения и измерения изменяющихся в процессе эксплуатации или испытаний остаточных напряжений. Установлено, что остаточные напряжения зависят от большинства параметров, которые влияют на сопротивление усталости, и их можно использовать как индикатор усталостной прочности. Данный метод позволяет непосредственно оценить остаточные напряжения на поверхности деталей.
Определение остаточного ресурса способствует повышению уровня безопасности при эксплуатации деталей и узлов в авиации.
Ключевые слова: усталостная прочность, остаточные напряжения, прогнозирования работоспособности, рентгеновская дифрактометрия,
ресурс
Усталостная прочность является структурно-чувствительным свойством металла и во многом определяется уровнем остаточных напряжений в конструкционном материале. Установлено, что остаточные напряжения (ОН) зависят от большинства параметров, которые влияют на сопротивление усталости, и их возможно использовать как индикатор усталостной прочности [1].
Механизм возникновения и изменения остаточных напряжений в упругой области в процессе наработки при знакопеременном циклическом нагружении описал в середине прошлого века Биргер И.А. [2]. Если при таком нагружении выполняется следующее условие:
°0сг + Од > ^0,2 , (1)
где оост - уровень остаточных напряжений;
од - переменное действующее напряжение; о0,2 - предел упругости материала,
то в микрообъемах изделия, которые энергетически находятся в неравновесном состоянии, возникают пластические деформации, изменяющие первоначальное значение остаточных напряжений.
С современных позиций весь процесс циклической усталости можно разделить на два периода: зарождение усталостных трещин и распространение усталостных трещин [3].
Зарождение усталостных трещин связано с повышением плотности дислокаций, что приводит к формированию упорядоченных самоорганизующихся дислокационных диссипативных структур, связанных с термодинамической неустойчивостью системы в точке бифуркации.
Повышение плотности дислокаций приводит к изменению параметра кристаллической решетки, которое фиксирует метод рентгеновской дифракции.
Изменение остаточных напряжений в процессе наработки можно представить как
Дст = а1 - сг0 , (2)
где О! - текущее значение остаточных напряжений;
оо - начальное значение остаточных напряжений.
Тогда выражение (1) можно записать как
|До1 тах > _ |°д|, (3)
где | До |тах - наибольшее изменение остаточных напряжений.
Правая часть неравенства (3) представляет собой ту часть упругой области, в которой физически может протекать процесс зарождения усталостных трещин, вызывающих изменение остаточных напряжений.
Превышение | До | разности (о0,2 - | од|), на наш взгляд, напрямую связано с физикой процесса усталости, когда в поверхностных слоях нагружаемого тела заканчивается первый период, и начинается распространение усталостных трещин. По Терентьеву В.Ф. при переходе от периода зарождения к периоду распространения усталостных трещин возникают процессы зарождения малых (коротких) трещин [3]. Энергетически эти внутренние процессы уже другие, незначительно связанные с воздействием на кристаллическую решетку материала. Поэтому при достижении преддефектного состояния следует ожидать прекращения изменения остаточных напряжений, а при образовании макротрещины (точка бифуркации) - сброса накопленного изменения, когда До ^ 0 [2].
Исходя из (3), допустимое изменение остаточных напряжений выражается неравенством:
[Дст] > ак
0,2
К1 (4)
Для экспериментальной проверки этого условия провели исследование по определению остаточных напряжений для образцов, подвергнутых испытаниям на малоцикловую усталость.
Объектом исследования являлись плоские образцы из алюминиевого сплава АК4 с о0,2 = 324 МПа. До и после циклического нагружения на каждом образце провели измерения с использованием портативного рентгеновского дифрактометра ДРП. Схема измерения представлена на рисунке 1. Остаточные напряжения в направлении, параллельном продольной оси симметрии образцов, определяли методом «Бт2у», используя рабочий пик {311} ГЦК-решетки алюминия в излучении СгКа.
т
2(5)
3(3) 47)
Рисунок 1- Схема измерения образцов из сплава АК4 (с нумерацией зон)
Образец 1 подвергли циклической нагрузке с большей амплитудой циклов, чем образцы 2 и 3. Нагрузка образца 4 составила 0,99 от нагрузки образцов 2 и 3. Количество циклов до разрушения Кр: для образца 1 - 14218; для образца 2 - 32308; для образца 3 - 27868; для образца 4 - 21600. Вид разрушенного образца показан на рисунке 2.
Рисунок 2 - Вид разрушенного образца
Все образцы разрушились в области 1 (рисунок 2).
На основе измерений определили остаточные напряжения после разрушения бt в тех же зонах образцов, что и до разрушения б0.
Полученные результаты оценки остаточных напряжений до и после разрушения в области 1 приведены в таблице 1.
Таблица 1- Результаты оценки остаточных напряжений до и после разру-
шения в области трещины
№ образца № зоны Оо, МПа 01, МПа До, МПа МПа О0,2-Од, МПа N N г 5* и 8
1 2 3 4 5 6 7 8 9
3 -250 -30 220
4 -230 0 230 124 199 9,56 (14218)
1 7 -175 -70 105
8 -125 -60 65
3 -125 +30 155
4 -135 -10 125 119 204 10,38 (32308)
2 7 -230 +50 280
8 -185 +25 210 0,79
3 -195 -5 190
4 -195 -20 175 113 10,24 (27868)
3 7 -265 +45 310 210
8 -245 +25 270
3 -25 170
4 -195 +30 225 112 9,98 (21600)
4 7 +20 215 211
8 +40 235
* Зоны с максимальным изменением начального уровня остаточных напряжений Дотахвыделены в таблице жирным шрифтом.
Поскольку повышение плотности дислокаций приводит к формированию упорядоченных самоорганизующихся дислокационных диссипатив-ных структур, связанных с термодинамической неустойчивостью системы в точке бифуркации (разрушения) [3], то для разрушенных образцов следует ожидать связи между изменением ОН и числом циклов в области разрушения. Для проверки этого в зонах вблизи трещины провели корреляционный анализ между натуральным логарифмом от числа циклов до разрушения и максимальным изменением начального уровня остаточных напряжений при циклической нагрузке. Коэффициент Пирсона (г) между Дотах и ЬпМр равен 0,79. Следовательно, перед разрушением (измеряемые зоны находятся вблизи трещины) между изменением исходного уровня ОН и числом циклов существует значимая корреляция, отображающая устало-
стные явления в поверхностном слое материала образцов, в том числе его деградацию через изменение остаточных напряжений.
Результаты оценки остаточных напряжений до и после разрушения в области 1 приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты оценки остаточных напряжений до и после разрушения в области 2
№ образца № зоны Ос, МПа 01, МПа До, МПа МПа О0,2-Од, МПа ЬпМр (Кр) г 5* и 8
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 -180 -90 90
2 -220 -90 130 9,56 (14218)
1 5 -180 +50 230 124 199
6 -250 -10 240
1 -130 +45 175
2 -210 +25 235 119 204 10,38 (32308)
2 5 -205 -35 170
6 -165 -30 135 0,11
1 -130 -40 90
2 -175 -115 60 113 210 10,24 (27868)
3 5 -255 -140 135
6 -305 -125 180
1 -160 35
2 -150 45 112 211 9,98 (21600)
4 5 -195 -145 50
6 -100 95
В области 2, «конкурирующей» с областью 1 за образование трещины, корреляция между Дотах и ЬпКР отсутствует. Следовательно, можно считать, что эта область в меньшей степени готова к усталостному разрушению.
На диаграммах, представленных на рисунках 3 и 4, для областей 1 и 2, соответственно, показаны уровни максимального и минимального изменения остаточных напряжений, а также допустимый в соответствии с выражением (4) уровень изменения остаточных напряжений для каждого образца.
350
300
250
й
200
О 150
100
50
0
1 2 3 4 № образца
I Ряд1-1 До I тах В Ряд2-(о0 2-одср)и РядЗ -1 До I т1п
Рисунок 3 - Уровни изменения остаточных напряжений: максимальный, минимальный и допустимый для области 1
250
й
200 150
< 100
50
I 1
1
Ряд1-|До|
2 3 4 № образца
в Ряд2 -К,2-одср) в РядЗ-1 До I т1п
тах
Рисунок 4 - Уровни изменения остаточных напряжений: максимальный, минимальный и допустимый для области 2
В области 1 с трещиной для всех четырех образцов допустимый уровень остаточных напряжений находится между максимальным и минимальным уровнями изменения остаточных напряжений.
В области 2 для первых двух образцов тенденция, характерная для области 1, сохраняется, что говорит о сходном характере протекания усталостных явлений в рассматриваемых областях. Для двух других образцов максимальный уровень изменения остаточных напряжений оказывается меньше допустимого уровня остаточных напряжений, что ещё раз подтверждает высказанное выше утверждение о меньшей степени готовности области 2 к усталостному разрушению. Соответственно, здесь отсутствует и корреляция между Дотах и ЬиКР .
Исходя из сказанного выше, в первом приближении (4) можно принять в качестве выражения для определения допустимого уровня изменения остаточных напряжений.
На основании полученных результатов можно предложить следующую методику оценки технического состояния и прогнозирования работоспособности деталей.
Техническое состояние (ТС) выражается отношением Дотах / [До].
Условие безопасной эксплуатации определяется как
ТС =
Дет,
тах
[До-]
<1
(5)
Прогноз развития системы в большинстве случаев базируется на определении скорости изменения оценочного параметра во времени. В графическом виде методика прогноза представлена на рисунке 5.
Время эксплуата
Рисунок 5 - Методика прогноза
Последовательность действий при реализации данной методики можно описать следующим образом.
1. Определение экспериментальной скорости изменения остаточных напряжений во времени в выбранных зонах детали:
К =
(>¿2
ДС
(6)
где Д1 - известный отрезок времени между вторым и первым контрольными этапами эксплуатации (или в других единицах, характеризующих наработку).
2. Определение на основе полученных значений в разных зонах детали максимальной скорости изменения остаточных напряжений во времени
^шах.
3. Приравнивание полученной скорости Ушах к скорости уменьшения допустимой разности
(о0,2 - I Од|):
У _ Аатах _ [А^] (7)
*т п V . ... ч
ТПйХ I
1э 1э '-п
где 1 - наработка до последнего контрольного этапа измерений (время эксплуатации);
11п - остаточная наработка (время прогноза).
4. Определение остаточной наработки 1;п :
. = . [А^] (8)
Ап — 1
В качестве примера произведем расчет остаточного ресурса по данным исследования лонжеронов трех лопастей несущего винта вертолета МИ-8 из сплава АВТ-1 с наработкой 1588 часов. Механические свойства сплава АВТ-1: аВ = 350 МПа, а0,2 = 290 МПА, о-1 = 115 МПа, коэффициент Пуассона равен 0,33 [45]. Исходный уровень ОН после изготовления составляет не менее -110 МПа. Назначенный ресурс Ро составляет 2000 часов.
На первом этапе исследования провели измерения с использованием портативного рентгеновского дифрактометра ДРП шести лопастей со стороны нижней полки лонжерона в 6 - 21 зонах.
Определение остаточных напряжений проводили методом вертикальной съёмки в СгКа-излучении с использованием рабочего пика (311) ГЦК-решетки алюминия.
В качестве показателя напряженного состояния использовали первый инвариант тензора главных напряжений о = (о1+ о2)/3.
Результаты определения остаточных напряжений представлены в таблице 3.
Выделенные жирным шрифтом значения ОН в таблице 3 указывают на максимальный уровень снижения изначального уровня.
На всех исследуемых лопастях по нижней полке лонжерона отмечается существенная неравномерность остаточных напряжений по длине, характеризуемая наличием как областей, в которых остаточные напряжения практически не изменились, так и областей, в которых они изменились значительно.
Результаты определения технического состояния лопастей и
остаточного ресурса представлены в таблице 4. При расчете приняли допущение, что действующее напряжение ад = о-1 [4].
Таблица 3 - Остаточные напряжения (в МПа) для разных лопастей и зон
№ зоны № лопасти
1 2 3
1 -65 -25 +5
2 -75 -40 -30
3 -50
4 -25
5 -75
6 -58
7 -50
8 -83
9 -90
10 -65
11 -100 -100 -80
12 -115 -90 -10
13 -95 -90 -50
14 -65
15 -50
16 -60
17 -65
18 -60 -105 -15
19 -125
20 -75
21 -30
Таблица 4 - Результаты определения технического состояния и _остаточного ресурса лопастей_
№ лопасти 1 2 3
Наработка (1,), часы 1588
Аотах, МПа 70 85 115
[Ао], МПа 175
ТС 0,40 0,49 0,66
1п, часы 2382 1681 828
1э + 1п, часы 3970 3269 2416
1э + 1п - Ро, часы 1970 1269 416
Ро, часы 2000
Расчет остаточного ресурса на основании определения ОН лонжеронов трех лопастей несущего винта вертолета МИ-8 из сплава АВТ-1 с наработ-
кой 1588 часов показал, что все три лопасти проработают выше назначенного ресурса.
Таким образом, параметром оценки технического состояния деталей из конструкционных материалов и прогнозирования их остаточного ресурса могут служить остаточные напряжения на поверхности детали, достоверно определяемые неразрушающим методом рентгеновской дифрактометрии.
Список литературы
1. Остаточные напряжения и портативные рентгеновские дифрактометры для их определения / А.В. Котёлкин, А.Д. Звонков, А.В. Лютцау, Д.Б. Матвеев. - Прогрессивные технологии ОМД. - М.: ИРИАС, 2009. - с. 423-435.
2. Биргер И. А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963. -232 с.
3. Усталость металлических материалов / В.Ф. Терентьев. - М.: Наука, 2003. - 254 с.
4. Биргер И. А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1986. - 561с.
Kotelkin A.V., Ph. D.
(e-mail: 13niisu@gmail.com)
"Research Institute of standardization and unification", Moscow, Russia Roberov I.G., Ph. D. (e-mail: roberov@yandex.ru)
"Research Institute of standardization and unification", Moscow, Russia Matveev D. B., Ph. D. (e-mail: 13niisu@gmail.com)
"Research Institute of standardization and unification", Moscow, Russia Lednev I. S., ingineer (e-mail: 13niisu@gmail.com)
"Research Institute of standardization and unification", Moscow, Russia
DETERMINATION OF RESIDUAL LIFE AND METHODS OF INCREASING THE LEVEL OF SAFETY DURING EXPLOITATION OF CONSTRUCTION MATERIALS IN AVIATION
Abstract. Predicting the remaining life based on the possibility of observation and measurement of changing in the operation or testing of residual stresses. It is established that the residual stresses depend on most of the parameters that influence fatigue resistance, and can be used as an indicator of the fatigue strength. This method allows direct measurement of the residual stresses on component surfaces.
Determination of the residual resource contributes to the improvement of safety in the operation of parts and components in aviation.
Key words: fatigue strength, residual stresses, and predict the performance of x-ray diffraction, resource
