CC BY
47
УДК 620.172
А.Е. Соловьев1, С.А. Голынец1, К.К. Хвацкий1, И.Р. Асланян1
ПРОВЕДЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ НА МАШИНАХ ФИРМЫ Zwick/Roell
Материалы элементов конструкций авиационных газотурбинных двигателей в процессе эксплуатации подвергаются большому спектру статических и динамических нагрузок в широком интервале рабочих температур и долговечностей, поэтому для проведения расчетов на прочность основных деталей двигателя и подтверждения их ресурса необходимо располагать большой номенклатурой прочностных характеристик металлических материалов в условиях статического и циклического нагружения. В работе представлен статистический обзор значений предела прочности при растяжении, полученных на машинах фирмы Zwick/Roell, на примере титанового сплава ВТ41.
Ключевые слова: статические испытания, упругость, прочность.
In the course of operation, materials of aircraft gas turbine engine components are subjected to very different static and dynamic loads over a wide range of operating temperature and durability. Therefore, for strength calculations of basic engine parts and verification of their resource it is necessary to have a large nomenclature of the strength characteristics of metals under static and cyclic loading. This paper presents a statistical overview of tensile strength of titanium alloy VT41 obtained on Zwick/Roell machines.
Keywords: static tests, elasticity, strength.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru
Введение
Успешное развитие отечественного авиастроения предполагает разработку и внедрение новых материалов и технологий в производственный процесс [1-6]. При внедрении новых материалов необходимо выпустить специальный комплект документации, фиксирующей характеристики материала, т. е. дать квалификацию материала. При общей квалификации материала выпускают паспорт, характеризующий уровни свойств выпускаемого материала, технические условия и технологическую инструкцию, определяющие процесс изготовления материала в серийном производстве. При специальной квалификации материала проводят серию испытаний, направленных на получение расчетных характеристик материала с учетом условий эксплуатации, в том числе коррозионные испытания. Определение механических свойств материалов при статическом действии нагрузки является наиболее распространенным способом испытаний при квалификации материалов. В частности, номенклатура прочностных характеристик металлических материалов, необходимых для паспортизации и квалификации основных деталей авиадвигателя, включает следующие характеристики: упругости и кратковременной прочности при растяжении, длительной прочности и ползучести при растяжении, малоцикловой (МЦУ) и многоцикловой усталости (МнЦУ), а также тре-щиностойкости при малоцикловом нагружении (СРТУ). Все эти характеристики определяются в соответствии со стандартами - отечественными (ГОСТ и ОСТ), зарубежными (ASTM, DIN и BS) и международными (ISO).
В настоящее время уровень свойств материалов, используемых в авиастроении, резко возрос и в связи с этим совершенствование экспериментальной техники и ис-
пользование современных испытательных машин при квалификации материалов приобретает особую актуальность [7-10]. Одним из мировых лидеров по выпуску испытательного оборудования является фирма Zwick/Roell (Германия).
Испытательные машины серии KAPPA (DS и SS) изготовлены в соответствии с требованиями современных стандартов на методы механических испытаний. На этих машинах определяются характеристики кратковременной и длительной прочности, ползучести.
В данной работе представлены результаты определения предела прочности при растяжении на машинах фирмы Zwick/Roell серии KAPPA на примере титанового сплава ВТ41. Титановый сплав ВТ41 рекомендуется для изготовления деталей компрессора высокого давления.
Материалы и методы
В лаборатории прочности и надежности материалов авиационных двигателей и силовых энергетических установок ВИАМ имеются универсальные испытательные машины типа KAPPA 050 DS и KAPPA 050 SS, предназначенные для проведения статических испытаний образцов из металлов и сплавов на растяжение при комнатной и повышенных температурах в интервале температур 300-1150° С (см. рисунок). Максимальная нагрузка при испытании составляет 50 кН. Технические характеристики машины представлены в табл. 1. Конструктивные отличия испытательных машин состоят в том, что машина типа KAPPA 050 DS имеет верхнюю подвижную траверсу, а машина типа KAPPA 050 SS - нижнюю подвижную траверсу.
Универсальные испытательные машины типа KAPPA 050 DS (а) и KAPPA 050 SS (б) для проведения статических испытаний
Кроме того, в машинах этого класса предусмотрены два навесных измерителя деформации (экстензометры): продольной и поперечной. Измерители деформации представляют собой датчики с керамическими стержнями, которые в процессе прове-
дения испытаний крепятся непосредственно на образец, что позволяет замерять одновременно на одном образце продольную и поперечную деформации как при комнатной, так и при повышенных температурах. Одновременный замер деформации в поперечном и продольном направлениях на одном образце позволяет определить коэффициент Пуассона, который представляет собой отношение этих величин. Данные машины также оснащены разъемной электропечью типа НТО-34, что позволяет проводить испытания при температурах до 1150 ° С, и приборной стойкой с управляющим компьютером.
Таблица 1
Технические характеристики машины типа KAPPA 050
Технический параметр Значение параметра
Нагружающая рама
Усилие испытания при растяжении/сжатии, кН 50
Высота, мм 2250
Ширина, мм 860
Глубина, мм 400
Высота рабочей зоны, мм ТТ90
Ширина рабочей зоны, мм 600
Привод
Скорость траверсы, мм/мин От 0,001 до 100
Максимальная частота испытания, Гц 0,5
Предел прочности при растяжении определяли в соответствии с требованиями отечественных и зарубежных стандартов ГОСТ Р 1497, ГОСТ Р 9651, ASTM Е-8, ASTM Е-21 при температурах 20, 500, 550, 600 и 650° С.
Расчетные значения предела прочности материала определяли на основе статистической обработки данных, полученных по результатам стандартных испытаний. В качестве расчетных характеристик использовали средние значения.
Результаты и обсуждение
Известно, что характеристики прочности материалов имеют статистический характер вследствие микро- и макронеоднородности материала образца и методических особенностей эксперимента, поэтому испытания при растяжении неизбежно приводят к рассеянию результатов.
Для определения значений характеристик конструкционной прочности при статистической обработке экспериментальных данных принимается гипотеза, что результаты механических испытаний образцов из металлических материалов (полуфабрикатов) распределены по нормальному (или логарифмически нормальному - логнормаль-ному) закону - так называемому распределению Гаусса.
Характеристики, полученные при растяжении (в том числе предел прочности), подчиняются нормальному закону распределения. Закон распределения Гаусса характеризуется двумя параметрами распределения - средним значением (математическим ожиданием) XcP и дисперсией D. Для выборки результатов испытаний ограниченного объема, которые используются в инженерной практике, вычисляют выборочные оценки среднего значения XcP и выборочные несмещенные оценки дисперсии D:
1 np
X сР = ;
N p j=i
1 np
d(X)=NTTB^ )2
p
где Np - объем выборки экспериментальных данных.
