CC BY
28
УДК 539.3
Особенности эрозионного разрушения металлических материалов при воздействии потока твердых частиц
1 2 А.Д. Евстифеев , И.В. Смирнов
1 НИИ механики Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, 603600, Россия 2 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, 199034, Россия
В работе обсуждаются возможность оценки пороговых разрушающих характеристик эрозионного воздействия на основе структурно-временного подхода и их влияние на эрозионную стойкость материала. На основе концепции инкубационного времени построены расчетные зависимости пороговых скоростей эрозионного воздействия при вариации размеров частиц твердой фракции в потоке для алюминиевого сплава AMg6 и титанового сплава VT1-0. В качестве исходных данных для расчета были использованы результаты ударного растяжения материалов на башенном копре с ускорителем, а также экспериментальные результаты эрозионного эксперимента с частицами корунда зернистостью F120 для скоростей до 146 м/с. Приведены данные сканирующей электронной микроскопии поверхности образцов, подвергнутых эрозионному воздействию с различными скоростями частиц твердой фракции в потоке. Выполнен анализ особенностей деформирования материалов на более низком масштабном уровне, чем стандартное разрушение при растяжении.
Ключевые слова: эрозия, динамическая прочность, критерий инкубационного времени, алюминиевый сплав, титановый сплав
DOI 10.24412/1683-805X-2021-2-5-12
Features of damage of metals due to solid particle erosion
A.D. Evstifeev1 and I.V. Smirnov2
1 Research Institute of Mechanics, Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, 603600, Russia 2 Saint Petersburg State University, Saint Petersburg, 199034, Russia
The paper discusses the possibility of assessing threshold erosion characteristics based on the structural-temporal approach and their effect on the erosion resistance of a material. The concept of incubation time is used to plot the calculated dependences of threshold erosion rates of AMg6 aluminum alloy and VT1-0 titanium alloy on the size of solid particles in the stream. The initial data for the calculation are taken from drop weight tests as well as from experiments on erosion by corundum particles with the grain size F120 at the velocity up to 146 m/s. The specimen surface eroded by solid particles with different velocities is viewed in a scanning electron microscope. Features of deformation of the materials are analyzed on a lower scale than under standard tensile fracture.
Keywords: erosion, dynamic strength, incubation time criterion, aluminum alloy, titanium alloy
1. Введение
Развитие авиакосмической отрасли во многом зависит от внедрения в производство новых материалов и технологических решений. Несмотря
на уже начавшийся переход мирового авиастроения на принципиально новые технологии, включая замену металлоконструкций композиционными материалами, типичные для этой отрасли
© Евстифеев А. Д., Смирнов И.В., 2021
алюминиевые, титановые и стальные материалы все еще составляют большую часть. Для повышения конкурентоспособности металлических материалов, а именно для повышения прочностных характеристик и снижения удельного веса, применяются различные методы. В качестве основных можно отметить сложное легирование, прокатку, экструзию, многоэтапные термомеханические воздействия. Среди уникальных методов трансформации материала можно выделить обработку методами интенсивной пластической деформации [1-6], что позволяет существенно повысить предел текучести и предел кратковременной прочности материала. Как правило, большая часть результатов сосредоточена в области квазистатических нагрузок и не учитывает особенности деформирования материала, возникающие при повышении скорости деформирования [7-11]. В работе [12] на примере алюминиевого сплава AMg6 и титанового сплава VT1-0 показаны возможные направления повышения прочностных характеристик алюминиевых сплавов в статическом и динамическом диапазонах нагружения. Рассматривались результаты экспериментов, полученные на эрозионной установке аэродинамического типа [13] и на башенном копре с ускорителем [14]. Было показано, что при разрушении образцов при растяжении на макроуровне титановый сплав имеет большую прочность, чем алюминиевый сплав AMg6 в исходном и наноструктурирован-ном состояниях во всем диапазоне нагружения. При рассмотрении результатов эрозионного эксперимента, приводящего к локальной деформации поверхности образца, алюминиевый и титановый сплав показали одинаковую эрозионную стойкость вплоть до скорости 100 м/с движения частиц корунда зернистостью F120 (FEPA 421993, ISO 8486) в воздушном потоке. Очевидно, что рассмотренные эксперименты приводят к разрушению на разных масштабных уровнях [1518].
При этом детального сравнительного анализа свойств материалов и особенностей деформирования при различных условиях эрозионного на-гружения, приводящего к разрушению на более низком масштабном уровне, чем разрушение при растяжении, проведено не было. В настоящей работе рассматриваются особенности деформирования алюминиевого сплава AMg6 и титанового сплава VT1-0 в исходном состоянии при эрозионном воздействии твердыми частицами. Работа проводилась с целью выявления механизмов обра-
зования и развития дефектов на поверхности образца, определяющих интенсивность эрозионного износа. Для этого проводился анализ физических характеристик материалов, макро- и мезорельефа, а также химических особенностей локальных областей на поверхности разрушенных образцов. Численные расчеты, позволяющие экстраполировать результаты экспериментальных исследований на расширенный диапазон внешних воздействий, были выполнены в рамках структурно-временного подхода [19].
2. Материалы и методы исследования
В работе рассматриваются алюминиевый сплав AMg6 (Al5.8Mgo.3Mno.3Feo.2Si) и титановый сплав УТ1-0 (Ti0.1Si0.25Fe0.2O0.01H0.04N0.07C). Материалы поставлялись в виде экструдированных прутков диаметром 20 мм.
Для аттестации механических свойств материалов были проведены квазистатические и динамические эксперименты на растяжение [12]. Образцы были вырезаны на электроэрозионном станке вдоль направления экструзии. Геометрические размеры рабочей части составляли 5 мм в длину и 2 мм в ширину. Эксперименты на динамическое растяжение выполнялись на башенном копре 1п81хоп CEAST 9350. Анализ данных по ударному растяжению в работе [12] выполнялся в рамках структурно-временного подхода. В качестве критерия разрушения материала был выбран зарекомендовавший себя критерий (1) инкубационного времени разрушения [19, 20]:
if s 1,
(1)
' t-т и UTS
где с — разрывающее напряжение; Сщ^ — временное сопротивление разрыву; т — инкубационное время разрушения. В табл. 1 отражены характеристики материалов, представленные в [12]. Видно, что по всем параметрам алюминиевый сплав существенно уступает титановому сплаву как при статическом, так и при динамическом растягивающем нагружении.
Эксперименты по эрозионному разрушению выполнялись на эрозионной установке аэродина-
Таблица 1. Механические характеристики материала
Материал СТ0.2, МПа МПа 5, % HV т, мкс
AMg6 180±10 359±11 24±2 113±3 9
VT1-0 284±11 495±14 30±2 174±4 39
мического типа [13, 21]. В процессе эксперимента варьировалась скорость воздушного потока от 50 до 300 м/с с шагом 50 м/с. Время экспозиции составляло 5 мин. Расход порошка электрокорунда 14А Б120 был зафиксирован на уровне 1.7 г/с. Верификационные испытания с различным временем экспозиции подтвердили правомерность выбранной длительности эксперимента, поскольку увеличение времени экспозиции не приводит к существенным изменениям шероховатости поверхности, что указывает на равномерный эрозионный процесс по всей поверхности образца. Для испытаний двух материалов в равных условиях образцы были сделаны в виде полукруга диаметром 15 мм и установлены в одну державку так, чтобы они подвергались воздействию одного и того же потока частиц, тем самым нивелируя возможную разницу в определении скорости частиц твердой фракции в потоке и их размеров. В процессе эксперимента фиксировались изменение шероховатости поверхности (Яа) профилометром М-Шоуо 81-201 в соответствии с ГОСТ 2789-73 и унос массы. Изменение массы пересчитывалось в изменение объема.
Основными параметрами эрозионной установки, определяющими режим ударного воздействия на образец, являются скорость и масса твердых частиц. Разница в скоростях между твердыми частицами и воздушным потоком была вычислена по полученной ранее эмпирической зависимости для используемой эрозионной установки аэродинамического типа (2):
V = V-
сог ' а1г
25
1 -
V 25 +1 у
(2)
5 =
Рсог ¿соЛ-г
'а1г ¿Шо/
у/пЬ '
1000ра
где Vcoг — скорость частиц твердой фракции до удара (м/с); Va1г — скорость воздушного потока без частиц твердой фракции (м/с); рсог — плотность частиц твердой фракции (кг/м3); плотность воздуха ра1г = 1.2250 кг/м3; диаметр сопла ¿по2 = 0.05 м; длина разгонного участка Ь = 1.6 м. Скорость воздушного потока определяется динамическим и статическим давлением с помощью трубки Пито.
Для численного анализа эрозионных процессов на поверхности образца было использовано среднее значение твердой фракции 109 мкм в соответствии со стандартом БЕРЛ для зернистости Б120. Таким образом, можно определить, что скорость частиц в потоке менялась от 42 до 146 м/с
при вариации скорости воздушного потока от 50 до 300 м/с.
3. Результаты и обсуждение
Изменение шероховатости Яа поверхности образцов из AMg6 и УТ1-0 при длительности экспозиции 5 мин с частицами корунда при различных скоростях движения частиц представлено на рис. 1. Видно, что шероховатость поверхности титановых образцов меньше, чем у алюминиевых, при всех рассмотренных в ходе эксперимента скоростях движения частиц. Выполняя экстраполяцию экспериментальных данных к нулевому значению шероховатости, можно определить пороговые скорости для наблюдаемого процесса деформирования поверхности. Эти скорости равны 6 и 8 м/с для образцов из AMg6 и УТ1-0 соответственно. Вычисленные пороговые значения являются условными величинами и служат лишь для сравнительного анализа, выполненного в рамках структурно-временного подхода, позволяющего вычислять зависимость пороговой скорости частиц от их радиуса [7, 22]. Критериальным соотношением является равенство
тахг | , Я, s< асете,
(3)
г-т„
где аг — максимальное разрывающее напряжение в точке на поверхности; V — скорость частицы в воздушном потоке; Я — радиус частицы; параметры асе и те относятся к статической и динамической прочности соответственно. В качестве модельной задачи рассматривается движение частицы сферической формы.
Рис. 1. Изменение шероховатости Яа поверхности образцов из AMg6 и УТ1-0 после эрозионного воздействия частицами электрокорунда 14А Б120 с расходом порошка 1.7 г/с и длительностью экспозиции 5 мин (цветной в онлайн версии)
Анализ эрозионного взаимодействия частицы с радиусом Я и массой т с поверхностью рассматривается по нормали. При этом используются соотношения, полученные при решении задачи Герца [23, 24]:
РЦ) = кк32^),
к(*) =
—т¥ 2 4к
2/5
• П
Бт—, = 3.2
I
Г 2 л15 т
^0
/Л 1 - 2у Р(0 /Л 2 па 2(? )
Р(Г)
ч Ук2
Я32 к
(4)
у
Л1/3
где Р — контактная сила; к — расстояние, на которое может внедриться частица при контакте с полупространством; к = 4\/Я я/ (3(1 - V2)), где V — коэффициент Пуассона.
Поскольку динамическая прочность материала в терминах инкубационного времени в рамках структурно-временного подхода является константой материала, можно принять те = т. Учитывая пороговые скорости, полученные при эрозионном воздействии твердыми частицами средним диаметром 109 мкм, найдем расчетную зависимость пороговых скоростей от диаметра частиц (рис. 2). Видно, что при увеличении размера частиц различия в пороговых скоростях начала деформирования поверхности нивелируются, а при уменьшении размера частиц разница увеличивается. При радиусе частиц 50 мкм пороговые скорости равны 9 и 12 м/с для AMg6 и УТ1-0 соответственно.
Шероховатость поверхности образца не отражает в полной мере эрозионную стойкость, выражаемую в уносе материала за счет деформирования и отрыва локальных объемов материала.
Рассмотрим изменение объема образцов в зависимости от скорости движения частиц в потоке (рис. 3). До скорости соударения частиц о поверхность 100 м/с материалы демонстрируют соизмеримые результаты несмотря на различия в формировании величины шероховатости поверхности. При дальнейшем повышении скорости соударения частиц с образцами из алюминиевого сплава унос объема материала более существенен, чем у образцов из титана. При скорости движения частиц 146 м/с различия составляют более 25 %. Такое поведение материалов можно объяснить с использованием структурно-временного подхода. У сплава УТ1-0 динамическая прочность в терминах инкубационного времени более чем в 2 раза превышает динамическую прочность алюминиевых сплавов. При импульсе, формируемом частицей диаметром 109 мкм при скоростях менее 100 м/с, напряжения в материале, генерируемые ударами частиц о поверхность, успевают частично релаксировать за счет перехода упругой деформации в пластическую. При повышении скорости частиц свыше 100 м/с полученная энергия от удара не успевает распределяться в материале за счет механизмов пластической деформации и начинается нелинейное накопление повреждений, сопровождаемое отрывом локальных объемов материала. У алюминиевых сплавов этот процесс протекает быстрее по причине меньшей динамической прочности, чем у титанового сплава.
При испытаниях материалов на эрозионную стойкость в двухфазном воздушном потоке «воздух-твердые частицы» титановый сплав показал превосходство над алюминиевым не во всем диапазоне испытаний. Отметим, что этот вид нагру-
Радиус частицы, мкм
Рис. 2. Расчетные зависимости пороговых скоростей эрозионного воздействия для AMg6 и УТ1-0 при вариации размеров твердой фракции в потоке. Маркеры — экспериментальные точки (цветной в онлайн версии)
40 60 80 100 120 140
Скорость частицы, м/с
Рис. 3. Изменение объема образцов из AMg6 и УТ1-0 при эрозионном воздействии частицами электрокорунда 14А F120 с расходом порошка 1.7 г/с и длительностью экспозиции 5 мин (цветной в онлайн версии)
Рис. 4. Поверхность образцов VT1-0 (а, в), AMg6 (б, г) после эрозионного воздействия при скоростях частиц в потоке 42 м/с. Сканирующая электронная микроскопия
жения является импульсным и может приводить к сжатию, сдвигу, растяжению и отколу на различных локальных объемах материала. На рис. 4 приведены данные для образцов из AMg6 и VT1-0, подвергнутых эрозионным испытаниям при скорости частиц в потоке 42 м/с. Поверхность образца из титанового сплава (рис. 4, а, в) более однородна, чем поверхность алюминиевого сплава (рис. 4, б, г) с минимальным локальным микрорастрескиванием. На поверхности образца из AMg6 можно выделить области локального тре-щинообразования — выкрашивания. При этом большая часть поверхности имеет только следы пластического деформирования от удара частиц. С использованием энергодисперсионного рентгеновского микроанализа Oxford Instruments INCAx-act (микроскоп Zeiss Merlin) был выполнен анализ элементного состава образцов в локальных точках, отмеченных на рис. 4, г. Маркеры 1 и 2 соответствуют области микрорастрескивания, а маркер 3 соответствует области пластической деформации, расположенной предположительно в объеме алюминиевой матрицы. Результаты анализа показали повышенное процентное содержание примесных элементов в областях 1 и 2. Локализация примесных элементов оказы-
вает негативное влияние на пластические характеристики материала и приводит к хрупкому типу разрушения выделенных объемов материала по границам. Поскольку локализация примесных элементов в объеме материала приводит к концентрации напряжений, то можно предположить, что эти области являются местом локализации вторичной фазы Al3Mg2, являющейся более прочной и хрупкой, чем матрица алюминия, что также подтверждается полученными результатами.
На рис. 5 и 6 представлены данные сканирующей микроскопии образцов, подвергнутых эрозионному воздействию частицами корунда при скорости 74 и 100 м/с. При скорости 100 м/с в потоке интенсифицируются деформационные процессы в алюминиевом сплаве. Видно, что наравне с пластической деформацией, включая вязкие бороздки в изломе образца (рис. 6, а), появляются следы хрупкого отрыва и микрорасслоения материала (рис. 6, б). В титановом образце существенных отличий в поверхности разрушения с более низкими скоростями ударного взаимодействия не наблюдается.
С ростом скорости движения частиц в потоке до 146 м/с преобладает хрупкое разрушение поверхности образцов. На рис. 7, а, в видны следы
Рис. 5. Поверхность образцов УТ1-0 (а, в), AMg6 (б, г) после эрозионного воздействия при скоростях частиц в потоке 74 м/с. Сканирующая электронная микроскопия
осколков, сопровождающих хрупкий отрыв локальных объемов материала УТ1-0. Для алюминиевого сплава (рис. 7, б, г) эти процессы более выражены и сопровождаются развитым трещино-образованием, т.е. происходит смена механизмов разрушения. С ростом скорости частиц в потоке материал охрупчивается. Причем при высокоскоростном ударном нагружении более хрупким оказывается материал, имеющий меньшую динамическую прочность в терминах инкубационного времени. Согласно выполненным ранее исследо-
ваниям, динамическая прочность алюминиевого сплава, определенная в рамках структурно-временного подхода, равна 9 мкс по сравнению с 39 мкс для титанового сплава.
4. Заключение
Несмотря на то что статическая и динамическая прочность титанового сплава УТ1-0 при ударном растяжении выше прочности алюминиевого сплава AMg6, на более низком масштабном уровне разрушения в условиях эрозионного воздейст-
Рис. 6. Поверхность образцов из AMg6 после эрозионного воздействия при скоростях частиц в потоке 100 м/с. Сканирующая электронная микроскопия
Рис. 7. Поверхность образцов УТ1-0 (а, в), ЛМ§6 (б, г) после эрозионного воздействия при скоростях частиц в потоке
146 м/с. Сканирующая электронная микроскопия
вия частицами корунда зернистостью Б120 алюминиевый сплав показал схожие результаты с титановым сплавом.
Эрозионное воздействие является динамической нагрузкой, оказывающей высокоскоростное импульсное воздействие на локальные объемы материала. В процессе удара частицы о поверхность реализуются различные деформационные моды, что является характерным отличием от одноосного растяжения. Многократные контактные взаимодействия формируют дефектную структуру итоговой макроскопической деформации, что может быть описано в рамках структурно-временного подхода с использованием критерия инкубационного времени с фиксированным набором макропараметров. Показано, что динамическая прочность в терминах инкубационного времени, вычисленная по данным экспериментов на динамическое растяжение, может быть использована при анализе пороговых характеристик эрозионного воздействия.
Выполненный анализ поверхности образцов после эрозионного износа продемонстрировал влияние скорости твердых частиц в потоке на характер разрушения поверхности материала. Для алюминиевого сплава, имеющего меньшую динамическую прочность в терминах инкубационного
времени, чем титановый сплав, с ростом скорости частиц в эрозионном потоке происходит охруп-чивание и интенсивное выкрашивание материала, сопровождаемое развитой сетью трещин.
Таким образом, выявление структурно-временных особенностей деформирования материала на каждом масштабном уровне и определение допустимых параметров нагружения являются первостепенной задачей при выборе материала для экстремальных условий эксплуатации.
Благодарности
Механические и структурные исследования проведены с использованием оборудования лаборатории механики перспективных массивных на-номатериалов для инновационных инженерных приложений СПбГУ, ресурсных центров Научного парка СПбГУ «Центр исследований экстремальных состояний материалов и конструкций», «Нанотехнологии». Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (№ 19-31-60031).
Литература
1. Valiev R. Nanostructuring of metals by severe plastic deformation for advanced properties // Nature Mater. - 2004. - V. 3. - No. 8. - P. 511-516.
2. Smirnova N.A., Levit V.I., Pilyugin V.I., Kuzne-tsov R.I., Davydova L.S., Sazonova V.A. Evolution of structure of fcc single crystals during strong plastic deformation // Phys. Met. Metallogr. - 1986. -V. 61. - P. 127-134.
3. Segal V.M., Reznikov V.I., Drobyshevskiy A.E., Kopy-lov V.I. Deformation processing of metals by a simple shear // Izv. USSR Acad. Sci. Metals. - 1981. -V. 1. - P. 115-123.
4. Saito Y., Utsunomiya H., Tsuji N., Sakai T. Novel ultra-high straining process for bulk materials—Development of the accumulative roll-bonding process // Acta Mater. - 1999. - V. 47. - P. 579-583.
5. Zherebtsov S.V., Salishchev G.A., Galeyev R.M., Vali-akhmetov O.R. Production of submicrocrystalline structure in large-scale Ti-6Al-4V billet by warm severe deformation processing // Scripta Mater. -2004. - V. 51. - No. 12. - P. 1147-1151.
6. Beygelzimer Y., Varyukhin V., Synkov S., Orlov D. Useful properties of twist extrusion // Mater. Sci. Eng. A. - 2009. - V. 503. - No. 1-2. - С. 14-17.
7. Petrov Y.V., Smirnov V.I. Interrelation between the threshold characteristics of erosion and spall fracture // Tech. Phys. - 2010. - V. 55. - No. 2. - P. 230-235.
8. Bragov A.M., Karikaloo B.L., Petrov Yu.V., Konstan-tinov A.Yu., Lamzin D.A., Lomunov A.K., Smirnov V.I. High-rate deformation and fracture of fiber reinforced concrete // J. Appl. Mech. Tech. Phys. - 2012. -V. 53. - No. 6. - P. 926-933.
9. Goldsmith W., Sackman J. L., Ewerts C. Static and dynamic fracture strength of Barre granite // Int. J. Rock Mech. Mining Sci. Geomech. Abstr. - 1976. -V. 13. - No. 11. - P. 303-309.
10. Михайлова Н.В., Петров Ю.В. Влияние временных параметров импульса воздействия на динамическую прочность в условиях откола // Физ. мезо-мех. - 2020. - Т. 23. - № 3. - С. 15-21.
11. Petrov Y.V., SmirnovI.V., Utkin A.A. Effects of strain-rate strength dependence in nanosecond load duration range // Mech. Solids. - 2010. - V. 45. - No. 3. -P. 476-484.
12. Evstifeev A.D., Smirnov I.V., Petrov Y.V. Effect of dynamic strength of a material on its erosion resis-
tance // Phys. Solid State. - 2020. - V. 62. - No. 10. -P. 1737-1740.
13. Казаринов Н.А., Евстифеев А.Д., Петров Ю.В., Лашков В.А. Динамические прочностные свойства поверхности ультрамелкозернистого сплава алюминия в условиях высокоскоростной эрозии // ДАН. - 2016. - Т. 468. - № 2. - С. 159-159.
14. Evstifeev A.D., Smirnov I.V., Petrov Y.V. Effect of ultrafine-grained structure of a material on the strength characteristics of an aluminum alloy upon impact loads // Phys. Solid State. - 2019. - V. 61. - No. 6. -P. 1062-1066.
15. Петров Ю.В., Груздков А.А., Братов В.А. Структурно-временная теория разрушения как процесса, протекающего на разных масштабных уровнях // Физ. мезомех. - 2012. - Т. 15. - № 2. - С. 15-21.
16. Панин В.Е. Структурные уровни деформации твердых тел. - Наука, 1985.
17. Николис Д.С. Динамика иерархических систем: Эволюционное представление. - Мир, 1989.
18. Petrov Y.V., Gruzdkov A.A., Morozov N.F. The principle of equal powers for multilevel fracture in continua // Dokl. Phys. - 2005. - V. 50. - No. 9. - P. 448-451.
19. Petrov Y.V., Utkin A.A. Dependence of the dynamic strength on loading rate // Sov. Mater. Sci. - 1989. -V. 25. - No. 2. - P. 153-156.
20. Petrov Y.V., Morozov N.F. On the modeling of fracture of brittle solids // J. Appl. Mech. - 1994. -V. 61. - No. 3. - P. 710-712.
21. Лашков В.А. Об экспериментальном определении коэффициентов восстановления скорости частиц потока газовзвеси при ударе о поверхность // Инж.-физ. журнал. - 1991. - Т. 60. - № 2. - С. 197203.
22. Petrov Y.V., Smirnov V.I. Temperature dependence of the threshold impact velocity for erosion fracture // Dokl. Phys. - 2007. - V. 52. - No. 10. - P. 574-576.
23. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. - M.: Наука, 1989.
24. Джонсон K. Механика контактного взаимодействия. - M.: Наука, 1989.
Поступила в редакцию 17.12.2020 г., после доработки 05.02.2021 г., принята к публикации 02.03.2021 г.
Сведения об авторах
Евстифеев Алексей Дмитриевич, к.ф.-м.н., снс ННГУ, ad.evstifeev@gmail.com Смирнов Иван Валерьевич, к.ф.-м.н., снс СПбГУ, i.v.smirnov@spbu.ru
