Связь между характеристиками ползучести и сопротивлением разрушению при совместном действии усталости и ползучести Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ и А Г И

Т о м XI 19 80

№ 5

УДК 620.178.38

СВЯЗЬ МЕЖДУ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПОЛЗУЧЕСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЕМ РАЗРУШЕНИЮ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ УСТАЛОСТИ И ПОЛЗУЧЕСТИ

С. И. Олькин

На основании исследования комплекса свойств двух конструкционных алюминиевых сплавов АК4-ІАТ1 и Д16АТ с различным сопротивлением ползучести установлено, что одной из характеристик, определяющих ресурс элемента конструкции в условиях совместного действия механических нагрузок и повышенной температуры, является чувствительность материала к надрезу в условиях ползучести. Показано также, что требования высокого сопротивления ползучести и малой чувствительности к надрезу являются взаимно противоречащими. Поэтому материал для конструкции сверхзвукового самолета с большим тепловым ресурсом должен обладать оптимальными характеристиками ползучести, обеспечивающими и минимальную общую остаточную деформацию, и приемлемую чувствительность к надрезу в условиях ползучести.

Высокое сопротивление ползучести — одно из основных требований, предъявляемых к материалу для сверхзвукового самолета с большим тепловым ресурсом. Оно обусловлено ограничениями, накладываемыми на величину общей остаточной деформации самолетной конструкции. Однако в настоящее время установлено, что при соблюдении только этого требования может не обеспечиваться достаточно высокая усталостная прочность, а следовательно, и ресурс конструкции указанного самолета.

Так, например, жаропрочный алюминиевый сплав АК4-1 был выбран в качестве основного конструктивного материала для сверхзвукового пассажирского самолета, рассчитанного на крейсерскую скорость, соответствующую М г= 2,0, прежде всего из-за его более высокого по сравнению с другими алюминиевыми сплавами сопротивления ползучести [1]. Исследование выносливости при совместном действии усталости и ползучести показало, однако, что последняя значительно снижает как усталостную долговечность этого сплава, так и сопротивление его развитию трещины. Обнаружено также, что сплав АК4-1Т1 вследствие своей низкой пластичности при ползучести является весьма чувствительным к надрезу в условиях статического нагружения при повышенной температуре [2].

В настоящей работе предпринята попытка установить связь между сопротивлением ползучести и выносливостью при комбинированном воздействии механических нагрузок и повышенной температуры. С этой целью проведено комплексное исследование ползучести, длительной статической прочности, чувствительности к надрезу и трещине в условиях ползучести, а также сопротивления

Рис. 1

разрушению при неизотермическом программном нагружении двух конструкционных алюминиевых сплавов АК4-1АТ1 (лист 8=1,9 мм) и Д16АТ (лист 8=1,6 мм) с различными характеристиками ползучести.

Испытания на ползучесть и длительную прочность проводили на серийных машинах АИМА-5-1, оборудованных экстензометрами и захватами специальной конструкции. Для определения чувствительности к надрезу проводили испытания на’длительную прочность гладких и надрезанных образцов. Образцы имели ширину рабочей части 24 мм. Надрез выполнялся в виде трех отверстий: центрального (4 мм) и двух примыкающих к нему боковых (1 мм каждое). Теоретический коэффициент концентрации напряжения в таких образцах яа = 4,8.

Испытания на выносливость, а также исследование развития трещины в условиях ползучести проведены на машине с программным управлением [3]. Образцы представляли собой полосу шириной 50 мм, имеющую четыре центральных надреза (з0 = 4,8), выполненных с шагом 120 мм, которую можно рассматривать как цепочку последовательно расположенных образцов. Таким образом, на одном режиме испытывали одновременно четыре образца.

Схема программного цикла, имитирующего условия нагружения элементов нижней поверхности крыла тяжелого сверхзвукового самолета, показана на

рис. 1, а.

Параметры циклической ползучести: Т = 175°С, вст = 12 даН/мм2, продолжительность нагрева в каждом программном цикле 15 мин. Для оценки влияния ползучести проводили также испытания на усталость по программе, показанной на рис. 1,5.

В эксперименте по исследованию развития трещины при ползучести перед испытанием на ползучесть в образцах выращивали усталостные трещины длиной 21т —- 1 н- 2 мм. Длину трещины измеряли с помощью отсчетного микроскопа МПБ-2 с точностью до 0,05 мм; перед измерением образцы охлаждали под нагрузкой.

На рис. 2 и 3 представлены соответственно графики зависимости от напряжения скорости ползучести е на установившейся ее стадии, а также времени до разрушения образца Гр. Эти данные показывают, что сплав Д16АТ имеет значительно меньшее, чем АК4-1АТ1, сопротивление ползучести, однако длительная прочность обоих материалов почти одинакова в исследованном диапазоне напряжений.

Сравнивая долговечность гладких и надрезанных образцов, можно заключить, что концентрация напряжения различным образом влияет на характеристики длительной прочности сплавов АК4-1АТ1 и Д16АТ. Как видно из табл. I, в которой приведены значения эффективного коэффициента концентрации на-

пряження а** (отношение разрушающего напряжения гладких образцов к разрушающему напряжению образцов с надрезом), сплав АК4-ІЛТ1 сохраняет высокую чувствительность к надрезу даже при сравнительно малых временных базах (до 100 ч), причем влияние концентрации напряжения возрастает с ростом продолжительности испытания. В то же время сплав Д16АТ мало чувствителен к надрезу в условиях ползучести.

Исследования, проведенные на жаропрочных сталях и никелевых сплавах применительно к условиям работы высокотемпературных энергетических установок и двигателей, показали, что чувствительность к надрезу, а следовательно, и к трещине при ползучести определяется пластическими свойствами материала

в условиях длительного статического нагружения. Высокопластичные материалы не чувствительны к надрезу, тогда как для малопластичных характерно выраженное отрицательное влияние концентраторов на длитель-

Рис. 2

Рис. 3

ную статическую прочность [4]. По-видимому, это объясняется тем, что в материале с более высоким сопротивлением ползучести процесс релаксации напряжения в вершине надреза (трещины) протекает менее интенсивно и, следовательно, в меньшей степени проявляется благоприятное влияние ползучести на концентрацию напряжения.

Пластичность в условиях длительного статического нагружения характеризуется обычно величиной предельной деформации ползучести. При этом хрупкими считаются материалы, у которых деформация ползучести гр, накопленная к моменту разрушения гладких образцов, не превышает 5%.

Таблица I

База испы-тания. ч Сплав 10 50 ! 100 500 1000 2000

АК4-1АТ1 1,03 1,14 1,30 1,37 1,39 _

Д16АТ 1,12 1,12 1.12 1,15 1.16 1,15

Как показали результаты измерения деформации ползучести, величина гр остается практически постоянной в довольно широком интервале напряжений и составляет для АК4-1АТ1 и Д16АТ соответственно 5 и 11%, т. е. сплав Д16АТ является весьма пластичным при ползучести, а сплав АК4-1АТ1 — достаточно хрупким. Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают установленную ранее связь между чувствительностью к надрезу при длительном статическом нагружении и характеристиками ползучести.

На рис. 4 и 5 представлены соответственно кривые роста трещины в условиях ползучести н графики зависимости скорости роста трещины (СРТ) от коэффициента интенсивности напряжения, который рассчитывали по формуле:

К — VI У>

гле У = 1,77 11 — 0,1 I ] — поправка, учитывающая геометрию образца

и трещины; 2/= 2/т + <1 — длина трещины, включая линейный размер надреза </; Р — статическая нагрузка; 5 —толщина, а № — ширина образца.

Эти данные показывают, что сплав АК4-1АТ1 более чувствителен к трещине в условиях ползучести. СРТ в этом материале примерно в три раза выше, чем в листе сплава Д16АТ.

В работе [5] предложено описывать процесс развития трещины при ползучести с помощью коэффициента интенсивности напряжения. При этом СРТ определяется по формуле:

Л1

Ж = ОКт.

где £> и т — экспериментально определяемые константы, зависящие для данного материала от температуры.

и,.

УМ

1 0 — 1 ■ ■■ “1

• ° О Аки -?АТ/

• ДМ АТ • •

О' • •

С 0 1 . • • ■

оо° *

с0 о ер • • . • • • шН ♦ • * * * • • • • • •

500

1000

1500

юоо г,»

Рис. 4

Преимуществом данного метода является его сравнительная простота, обусловленная тем, что для многих практически важных случаев имеются готовые решения для коэффициента интенсивности. Существует мнение [6, 7], что подход, основанный на использовании линейной механики разрушения, дает хорошие результаты только для хрупких при ползучести материалов. Как видно на

<11

рис. 5, график зависимости —тг=/(К) в логарифмических координатах хорошо

‘ аппроксимируется прямой линией для

обоих сплавов. Следовательно, простая степенная зависимость между коэффициентом интенсивности напряжения и СРТ может быть пригодна и в случае достаточно пластичных материалов, к числу которых относится сплав Д16АТ. Следует отметить, однако, что в настоящее время еще нет четких критериев применимости линейной механики разрушения для прогнозирования СРТ в условиях ползучести, и справедливость указанного соотношения необходимо в каждом конкретном случае проверять экспериментально.

Результаты испытаний на выносливость при программном нагружении с нагревом позволяют сравнить сопротивление разрушению исследуемых материалов в условиях, близких к эксплуатационным. Как видно из табл. 2, в которой приведены числа программных циклов до образования трещины при различных видах испытаний, сплав Д16АТ имеет несколько более высокую усталостную прочность и заметно превосходит сплав АК4-1АТ1 по долговечности в условиях комбинированного действия усталости и ползучести. Число программных циклов до образования трещины при испытании на усталость по программе, показанной на рис. 1,6, превышает аналогичную величину, полученную при совместном действии усталости и ползучести, в среднем в 2,5 и 1,8 раза соответственно для сплавов АК4-1АТ1 и Д16АТ. Следовательно, повреждающее влияние ползучести на стадии образования трещины проявляется для сплава АК4-1АТ1 более сильно нежели для Д16АТ.

Таблица 2

АК4-1АТ1 Д16АТ

Уста- лость Устал ость + ползучесть Уста- лость Усталость+ ползучесть

1 200 445 1 200 630

1 020 420 1 350 500

1 ООО 410 9 50 730

600 440 1 200 790

Таблица 3

Д16АГ АК4-1АТ1

§• X ж '< 3 мм/нрогр. цикл. Ь = Т с. з — |е в '—- I ь 1 ’ г ”. '—■" а е» Л 2 _2 п к 1 Ж 2 й '—- я * г с - *1«! '—" я

33,6 0,30 0,04 0,46 34,0 0,31 0,21 0,78

36.3 0.46 0,05 0,58 36,6 0,63 0,25 0,88

38,8 0,61 0,07 0.62 39,1 0,71 0,29 0,96

41.3 0,71 0,08 0,74 41.6 0,87 0,32 1,12

43.7 0,77 0,10 0,78 44,0 1,00 0.36 1,28

46.0 0,89 0,12 0,93 46,3 1,25 0.41 1,43

48,3 0,98 0,14 1.18 48.6 1.43 0,45 1,54

50.6 1,14 0.17 1,25 51,0 1,75 0.49 1,82

53,0 1.25 0,19 1,38 53,3 2,00 0.54 2,05

54.9 1,34 0,22 1,54 55,6 2,СО 0.59 2,43

57.6 1,44 0,33 1.74 58,0 2.86 0,65 2,70

60,0 1.74 0,44 2,22 60,4 3.10 0,70 3,06

Значения СРТ, полученные при трех видах испытаний: на усталость , на ползучесть [~^t и при комбинированном действии усталости и ползучести . ,, в зависимости от коэффициента интенсивности напряжения

У+" „ „ ( <Ч\ fdl\ м

приведены в табл. 3. Величина ¿ïT L определялась по формуле *в.

где tB — продолжительность ползучести в каждом программном цикле, а переменная п является числом программных циклов.

Эти данные показывают, что сплав Д16АТ обладает более высоким сопротивлением развитию трещины как при сочетании усталости и ползучести, так и при действии каждого из этих двух видов разрушения в отдельности, причем наиболее значительным является превосходство этого сплава в сопротивлении развитию трещины в условиях ползучести.

Известно, что поведение материала при комбинированном действии механических нагрузок и повышенной температуры определяется его усталостной и длительной статической прочностью. Если деталь или конструктивный элемент имеют концентратор напряжения, то при оценке их срока службы необходимо учитывать влияние концентрации напряжения на длительную прочность материала. В работе [8] на примере сплава АК4-1Т1 показано, что характеристикой влияния ползучести на выносливость в условиях неоднородного напряженного состояния является время до разрушения элемента конструкции или образца с надрезом. Последнее, в свою очередь, зависит как от стандартных характеристик длительной прочности материала, так и от его чувствительности к надрезу при ползучести. Сплав Д16АТ имеет практически одинаковую с AK4-IAT1 длительную прочность, но значительно меньшее сопротивление ползучести и потому малочувствителен к надрезу и трещине в условиях длительного статического нагружения. Этим обусловлено более высокое сопротивление разрушению сплава Д16АТ при испытании на выносливость по программе, показанной на рис. 1, а.

Таким образом, из сравнения характеристик прочности, полученных для материалов с различным сопротивлением ползучести, следует, что одним из параметров, определяющих ресурс деталей и элементов с концентраторами напряжения в условиях совместного действия механических нагрузок и повышенной температуры, является чувствительность к надрезу при ползучести. Изложенное показывает также, что требования высокого сопротивления ползучести и малой чувствительности к надрезу являются взаимно противоречащими. Следовательно, материал для конструкции сверхзвукового самолета с большим тепловым ресурсом должен обладать оптимальными характеристиками ползучести, обеспечивающими и минимальную общую остаточную деформацию конструкции и приемлемую чувствительность к надрезу в условиях ползучести.

ЛИТЕРАТУРА

1. На три г N. F. Structural development of the Concorde. .Aircraft engineering*, 1968, N 3.

2. Олькин С. И. Влияние концентрации напряжения на дли-

тельную прочность при умеренно повышенной температуре. .Машиноведение*. 1978, 1.

3. Олькин С. И., Романов Г. Г., Савкин В. А. Машина для исследования выносливости материалов и элементов конструкций в условиях чередования ползучести и усталости. .Заводская лаборатория*, 1973, „\2 7.

4. Один г И. А., Иванова В. С. и др. Теория ползучести и длительной прочности. М., Металлургиздат, 1959.

5. Siverns М. J.. Р ri ce А. Т. Crack growth under creep conditions. .Nature’, vol. 228, 1970, N 21.

6. Williams J. A., Price A. T. A discription of crack growih from defects under creep conditions. .Transactions of the ASME", 1975,

H 97, N 3.

7. Van Leeuwen H. P. The application of fracture mechanics to creep crack growth. .Engineering Fracture Mechanics*, vol. 9, ¡977, N 4.

8. Олькин С. И. О накоплении повреждений в зоне концентрации напряжения при чередовании ползучести и усталости. .Проблемы прочности*, 1978, № 12.

Рукопись поступила 7\IX 1979 г.