CC BY
401
2007 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА №123
Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники
УДК 629.735.017.1.084
СВЕРХМНОГОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ - НОВОЕ ПОНИМАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ С ВОЗРАСТАЮЩИМ СРОКОМ ЭКСПЛУАТАЦИИ
А.А. ШАНЯВСКИЙ, Ю.А. ПОТАПЕНКО, М.А. АРТАМОНОВ
Рассмотрены принципы синергетики в описании поведения циклически нагруженного металла как открытой и частично замкнутой системы. Введено представление о бифуркационной диаграмме усталостного разрушения и приведен пример бимодального распределения усталостной долговечности сплава 2024Т351 после его упрочнения пучком лазера. Показан один из возможных путей в оценке ресурса алюминиевых лопаток НА двигателя Д30 в области сверхмногоцикловой усталости для наработок более 1010 циклов с учётом бимодальном распределении их долговечности.
Разрушения элементов авиационных конструкций ГА в эксплуатации наблюдают в широком диапазоне долговечностей по разным причинам [1]. Циклическое нагружение может быть осуществлено с разной частотой и в том случае, когда реализовано высокочастотное воздействие, длительность нагружения при наработке детали в эксплуатации 10000 часов может составлять более 108 циклов [2].
Традиционное представление об описании накопления повреждений в металле основано на использовании кривой Веллера в таком виде [3]:
^ = Сг , (1)
где Nу - число циклов до разрушения; <га амплитуда циклического напряжения.
Показатель степени ту характеризует наклон усталостной кривой в двойных логарифмических координатах для средних значений распределения долговечности по результатам испытаний, а коэффициент Су характеризует положение усталостной кривой
вдоль оси, N у. В области многоцикловой усталости для долговечности более 108 циклов уровень напряжения <га рассматривается в качестве характеристики материала, называемой
«пределом усталости» для сталей, титановых и никелевых сплавов [3].
Однако в середине 70-х годов было установлено, что при снижении уровня напряжения до «предела усталости» происходит расслоение в распределении долговечности, в результате чего реализуется не один, а два закона типа (1) с разными показателями степени для левой (ту) и
правой (т^) ветви кривой Веллера [4]. Было введено представление о «бимодальном законе»
распределения усталостной долговечности, отражающем существование разных механизмов накопления усталостных повреждений металлом (рис. 1). Главным достижением в полученном бимодальном распределении было то, что оно свидетельствовало о разрушении материала при напряжении ниже «предела усталости», которое будет происходить при долговечности более 10 циклов.
Последовавшие спустя почти 20 лет испытания материалов в области долговечности 108 -
12
10 циклов показали, что разрушения металла действительно происходят, но трещины зарождаются не с поверхности, а под поверхностью [5]-[7]. Новая область разрушения металла была названа Сверх-Многоцикловой-Усталостью (СВМУ) и в настоящее время число исследований в этом направлении быстро увеличивается [8].
1д N 0 0.5 1
Р-] Р2
Рис. 1. Схема бимодального распределения усталостной долговечности, характеризуемого двумя усталостными кривыми с показателями степени ( Шу )лв и ( Шу )пр уравнения (1), а также
вероятности «р;» разрушения по одному из механизмов в области бифуркации. Уровню напряжения О2 = О^2 отвечает равновероятное разрушение материала по одному из механизмов, каждый из которых описывается своей ветвью усталостной кривой
Существование бимодального распределения усталостной долговечности радикально меняет представление о том, каким образом методически может быть решён вопрос об оценке предельного состояния элементов авиационных конструкций в эксплуатации.
1. Бифуркационная диаграмма усталостного разрушения
Первые исследования усталостной прочности материалов были проведены в области высоких уровней напряжения, поскольку решалась проблема по оценке влияния сжимающих нагрузок высокой амплитуды на способность металла выдерживать длительное циклическое нагружение [9]. По вертикали, по аналогии с испытаниями на растяжение, было отложено напряжение, а по горизонтали результат воздействия - число циклов до разрушения. Проведём изменение в расположении кривой Веллера, направив ось долговечности по вертикали (рис. 2). Оказывается, во-первых, с позиций синергетики [1], [8], что левая область диаграммы усталостного разрушения является областью самого низкого, масштабно микроскопического уровня накопления повреждений в металле, который проявил себя только после экспериментов Т.П.Захаровой. Он переходит при достижении уровня напряжений, ок2 , через область бифуркации в область собственно Веллера, которая отвечает двум масштабным уровням -мезоскопическому и макроскопическому, при последовательно возрастающем уровне циклической нагрузки.
Смена масштабов, с позиций синергетики связана с нарушением принципа однозначного соответствия или связана с каскадом бифуркационных переходов. Поэтому помимо установленной смены механизма зарождения трещины под поверхностью на масштабно микроскопическом уровне переход на мезоскопический масштабный уровень должен был существовать. Он был выявлен ещё ранее, чем бимодальное распределение усталостной долговечности Т.П.Захаровой, и характеризует переход через область напряжений около предела текучести материала [10]. Материал с первого цикла претерпевает макропластическую деформацию и это резко меняет его поведение и условия зарождения усталостных трещин после достижения порогового напряжения, окЪ .
Рис. 2. Бифуркационная диаграмма усталостного разрушения с указанием пороговых уровней напряжения, при которых происходит самоорганизованная смена механизмов зарождения
усталостных трещин
Итак, накоплено множество экспериментальных данных, которые свидетельствуют о том, что металл является синергетической системой, которая в процессе эволюции проходит через ряд критических, неустойчивых состояний - точек бифуркации, связанных со сменой механизма разрушения. Та область исследований, которая была связана с мезоскопическим и макроскопическим масштабными уровнями, относится к поведению металла, как открытой системы, но уже на завершающей стадии эволюции, перед окончательной утратой устойчивости [11]. Однако в области масштабно микроскопического уровня, эволюция рассматриваемой системы происходит в условиях её частичной замкнутости. В области бифуркации, в районе напряжения ок2 , металл может реализовать одновременно два способа зарождения трещины - на поверхности и под поверхностью [5].
Следующий переход через область бифуркации в районе напряжения ок3 приводит к
формированию множества трещин по поверхности, что ещё более ускоряет процесс «деградации» металла. Есть ещё один бифуркационный переход при достижении напряжения ок4- в область повторно-статического разрушения, когда трещины опять зарождаются под поверхностью. Это как бы возврат к частичной замкнутости. Однако интенсивность нагружения, около предела прочности металла, столь велика, что устойчивость происходящих событий ничтожна.
Итак, синергетическое представление об эволюции систем позволило представить с единых позиций поведение металла как частично замкнутой и открытой системы [8], [11]. Удалось показать, что в области эволюции, как открытой системы, металл наихудшим образом сопротивляется внешней нагрузке и поэтому ему нужна обратная связь, «навязывающая» лучший способ эволюции. Она должна приводить поведение металла к частичной замкнутости, позволяя реализовать сопротивление циклической нагрузке так, чтобы возникновение очага разрушения происходило под поверхностью.
Такие способы известны - упрочнение поверхности, нанесение защитных покрытий на поверхность, диффузионное насыщение поверхности и многие другие.
2. Упрочнение поверхности металла с помощью пучка лазера
Анализ результатов исследований высокопрочных сталей в области напряжений оы — ок2 показывает [5], что усталостные кривые для упрочнённых и неупрочнённых материалов совпадают (рис. 3). Оказывается, что дробеструйное упрочнение (ДО) поверхности, с целью
оказания «помощи» металлу не эффективно в рассматриваемой области. Металл имеет ту же долговечность при фиксированном уровне напряжения без упрочнения, как и после упрочнения, реализуя зарождение трещины под поверхностью.
Аналогичные результаты были получены применительно к исследованию алюминиевого сплава 2024Т351, являющегося аналогом алюминиевого сплава Д16Т, [12]. Образцы для проведения испытаний были вырезаны из деформированной заготовки таким образом, чтобы сохраняемая в образце текстура деформированного сплава была вытянута вдоль оси образца. Размеры прямоугольного сечения образцов составили - ширина 4,5 мм, высота 6,5 мм, при длине - 86 мм.
Число циклов до разрушения
Рис. 3. Схема перехода усталостной кривой для неупрочнённого сплава к усталостной кривой упрочнённого сплава, совпадающей с усталостной кривой неупрочнённого сплава, как частично замкнутой системы, в области СВМУ. НП и 1111 - очаг разрушения на поверхности и под поверхностью соответственно
Каждый образец подвергался лазерному упрочнению (ЛУ) с двух сторон по поверхностям, имевшим в сечении образца ширину 4,5мм. После ЛУ на начальном участке удалении от поверхности образца максимальное значение по модулю остаточных напряжений падало с 60МПа до 40МПа, а начиная с 0,4мм, уровень напряжений колебался вокруг среднего уровня 35 МПа.
Помимо этого в другой партии образцов было реализовано дробеструйное упрочнение поверхности. У этих образцов остаточные сжимающие напряжения составили около 250 МПа на глубине 0,2 мм, с быстрым падением до 50МПа на глубине 1,2мм.
Оказалось, что усталостные кривые после ЛУ и ДО совпадают между собой в области зарождения трещин из-под поверхности. Более того, было проведено сопоставление экспериментальных данных по испытаниям этого же сплава без упрочнения поверхности в области напряжений около порогового напряжения <Г№2, полученных в работе [6]. Оказалось, что в области зарождения трещин из-под поверхности образцы, упрочнённые по технологии ЛУ, ДУ и не упрочнявшиеся, имеют близкую долговечность. В результате экспериментальных данных в соответствие с соотношением (1) были получены следующие уравнения для бимодального распределения усталостной долговечности:
левая ветвь «1» правая ветвь «2»
Я, --
яЦ1'28 Яг
- 8,82.1026 = 8,18.1058
(2)
(3)
Итак, применительно к алюминиевым сплавам, которые широко используются в авиационных конструкциях, необходимо принципиально изменить подход к оценке их предельного состояния, используя бимодальное распределение усталостной долговечности.
3. Оценка ресурса лопаток первой ступени КНД «НА» двигателя Д-30
Наблюдавшиеся разрушения лопаток КНД «НА» двигателя Д-30, изготавливаемых из алюминиевого сплава ВД17, при наработке до 15000 часов относились к повреждению их поверхности коррозией [1]. Трещины зарождались по радиусному переходу в тех же зонах, что и у лопаток «НА» первой ступени КНД двигателей Д-30КУ/КП [2]. Мероприятия по снижению вибронапряжённости лопаток позволили увеличить их ресурс, однако при наработке около 18000 часов трещины и разрушения лопаток стали проявляться вновь [13].
Выполненные исследования этих лопаток показали, что трещины в них зарождаются из-под поверхности от локальных, не выявляемых неразрушающими методами контроля, дефектов литья, а также от фасеток скола и включений. Коррозионные повреждения поверхности не оказали своего влияния на зарождения трещин в лопатках.
Оценка вибронапряжённости лопаток показала, что они к моменту наработки 18000 часов достигают долговечности в единичных циклах нагружения около 1010 циклов. Из этого следовало, что разрушения лопаток реализуются в области СВМУ, а наблюдаемые случаи возникновения трещин и разрушения лопаток относятся к левой границе нормального закона распределения долговечности для правой ветви бимодального распределения долговечности.
Применительно к области СВМУ оценка средней долговечности по размеру под поверхностных очагов усталостных трещин может быть проведена по известному соотношению [6]:
sw = [(3.09- 0.12LnNf)(HV +120)]/(Varea)1/6. (4)
В представленном уравнении HV - твёрдость по Виккерсу, выраженная в кг/мм2, а ([area) - корень из площади поверхности очага разрушения для образца или детали.
Проведённый анализ результатов расчёта по формуле (4) с фактическими данными по усталости сплава ВД17, а также по результатам тензометрирования напряжённости лопаток в зоне зарождения трещин позволил предложить для определения ресурса лопаток в области СВМУ лопаток уравнение с другими коэффициентами:
sw = [(4.6 - 0.17 LnNf)(HV +120)] /(Varea )1/6. (5)
Оно относится к левой границе нормального закона распределения для правой ветви усталостной кривой бимодального распределения усталостной долговечности. Из уравнения (6) следует, что наиболее интенсивное нарастание случаев проявления усталостных трещин и разрушений лопаток в эксплуатации будет происходить при приближении к наработкам 1011 циклов или около 180000 часов.
Таким образом, в условиях возрастающих ресурсов авиационных конструкций, подверженных нагружению с частотами более 1 кГц, следует рассматривать правую ветвь бимодального распределения усталостной долговечности. В области долговечности до 108 циклов ресурс элементов конструкций может быть определён по известным справочным данным об усталостной прочности сплавов, например на основании справочников ВИАМ, однако в области больших долговечностей такая оценка очень консервативна. Она может занижать реализуемую в эксплуатации долговечность более чем на порядок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. // Монография. Уфа, 2003.
2. Белоусов Г.Г., Пенкин А.А. Анализ нагруженности и оценка ресурса лопаток направляющего аппарата первой ступени компрессора низкого давления двигателей Д-30КУ/КП // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полётов, №80(10), 2004.
3. ГОСТ 23207-78. Сопротивление усталости - основные термины и определения. М.: Стандарты, 1981.
4. Захарова Т.П. К вопросу о статистической природе усталостной повреждаемости сталей и сплавов // Проблемы прочности, 1974, №7.
5. Sakai T. and Ochi Y. (Eds) Very High Cycle Fatigue // Proc. Third Intern Conf VHCF-3, September 16-19, 2004, Ritsumeikan University, Kusatsu, Japan, 2004.
6. Bathias C. and Paris P.C. Gigacycle fatigue in mechanical practice // Marcel Dekker, NY, USA, 2005.
7. Proc. 4-th Int. Conf. VHCF-4, 19-22 August, USA, 2007.
8. Шанявский А.А. Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации. Монография. Уфа, 2007.
9. Wöhler A. Über die Versuche zur Ermittlung der Festigkeit von Achsen, Welche in den Werk-stätten der Niederschlesisch-Märkischen Eisenbahn zu Frankfurt a. d. O. angestelt sind. Zeitschurift fur Bauwesen 13, 1863.
10. Шабалин В.И. Экспериментальное исследование формы кривой усталости // Прочность металлов при циклических нагрузках. - М.: Наука, 1967.
11. Shanyavskiy A.A. Fatigue limit - Material property as an opened or closed system? Practical view on the aircraft components failures in GCF area // Int. Journ. Fatigue, V. 28, Issue 11 , November 2006.
12. Шанявский А.А., Артамонов М.А. Влияние лазерного воздействия на усталостное разрушение сплава 2024-T351 // Физическая мезомеханика, 2007, т. 10, №4.
13. Shanyavskiy A.A., Potapenko Yu.A., Artamonov M.A. Stress level and lifetime to failure estimations in Very-High-Cycle-Fatigue for blades of Al-based alloy VD-17 of the aircraft gas-turbine engine D30. // In: Proc. ICF Interquadrinnial Conf., July 07-12, 2007, RAS, IPM, Moscow, p.38.
VERY-HIGH-CY CLE-FATIGUE - NEW KNOWLEDGE ABOUT CRITICAL STATE OF AIRCRAFT COMPONENTS FOR IN-SERVICE LIFETIME INCREASING
Shanyavskiy A.A., Potapenko Yu.A., Artamonov M.A.
Synergetical principles have considered for metals behavior description under cyclic loads such as an open or partly closed system. The bifurcation diagram for fatigue cracking of metals has introduced and considered bimodal distribution of the fatigue durability for aluminum alloy 2024T351 after surface hardening by the laser peening. One of the ways of the in-service durability estimation have demonstrated for stator blades of the low-pressure compressor of the engine D30 in Very-High-Cycle-Fatigue region for lifetime more than 1010 cycles based on the bimodal distribution of the fatigue durability.
Сведения об авторах
Шанявский Андрей Андреевич, 1946г.р., окончил МАИ (1970), доктор технических наук, профессор, начальник отдела «Металлофизические исследования авиационных материалов» ГосЦентра безопасности полетов на воздушном транспорте, автор более 290 научных работ, область научных интересов - исследование механизмов и моделирование процессов разрушения элементов авиационных конструкций на основе подходов синергетики.
Потапенко Юрий Александрович, 1971 г.р., окончил МАТИ (1994), начальник сектора «Исследования отказов деталей и узлов силовых установок ВС» ГосЦентра безопасности полетов на воздушном транспорте, автор более 20 научных работ, область научных знаний - исследование причин разрушений силовых установок авиационной техники.
Артамонов Максим Анатольевич, 1974г.р., окончил МГАТУ им. Циолковского (1998), кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ГосЦентра безопасности полетов на воздушном транспорте, автор более 20 научных работ, область научных интересов - фрактография авиационных конструкций, синергетика, фрактальный анализ, физика разрушения.
