CC BY
55
________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦА Г И
Т о м III 197 2
№ 2
УДК 669.7.017.4-977:539.43:539.376
ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ СПЛАВА АК4-1-Т1
А. 3. Воробьев, С. И. Олькин, В. Н. Стебенев
Рассмотрены результаты экспериментального исследования влияния предварительной ползучести при умеренно повышенных температурах на усталостные характеристики надрезанных образцов из сплава АК4-1-Т1. Показано, что влияние ползучести на выносливость определяется большим количеством факторов (структурные изменения и релаксация технологических остаточных напряжений, обусловленные длительным температурным воздействием, остаточные напряжения, образующиеся в зоне концентрации напряжения вследствие неравномерной деформации ползучести, наклеп, нарушение сплошности материала), которые могут как понижать, так и повышать усталостную долговечность.
В связи с созданием летательных аппаратов, подвергающихся в эксплуатации аэродинамическому нагреву, возникла необходимость в исследовании влияния ползучести на процесс усталостного разрушения авиационных материалов. Учет взаимодействия ползучести и усталости требуется, в частности, при определении срока службы планера сверхзвукового пассажирского самолета (СПС), который на режиме крейсерского полета работает в условиях повышенной температуры.
Известно, что эксплуатационная температура СПС не настолько высока, чтобы к концу срока службы при рабочих напряжениях накопилась значительная деформация ползучести всей конструкции в целом. Однако в местах концентрации напряжения при небольшой общей деформации ползучести локальная вязкая деформация будет намного больше средней, что не может не повлиять на процесс накопления усталостных повреждений.
Механизм влияния ползучести на выносливость весьма сложен, так как определяется одновременным действием многочисленных факторов.
Во-первых, само по себе длительное воздействие повышенной температуры вследствие структурных изменений (старение, рекристаллизация, образование субструктуры и т. п.) вызывает изменение
механических свойств материала, и, в частности, изменение его сопротивления усталости. Кроме того, есть основания предполагать, что при температурах, близких к эксплуатационным, и рабочих нагрузках будет иметь место так называемая логарифмическая ползучесть, когда отсутствует возврат механических свойств и скорость ползучести непрерывно уменьшается. В этом случае деформация ползучести, как известно, упрочняет материал [1].
Во-вторых, при наличии концентрации напряжения, избежать которой в реальных конструкциях практически невозможно, после снятия статической нагрузки из-за неравномерной по сечению деформации образуются макроостаточные напряжения, влияющие на усталостную прочность. Степень этого влияния, очевидно, определяется величиной и знаком остаточных напряжений, которые в свою очередь зависят от параметров ползучести (статического напряжения аст, температуры Т и длительности ее воздействия £) материала, степени концентрации, вида напряженного состояния и т. д. Остаточные напряжения в зоне концентратора могут образовываться как из-за неравномерной деформации ползучести, так и вследствие локального превышения предела текучести. На накопление неравномерной вязкой деформации влияет также релаксация напряжения в зоне надреза.
В-третьих, ползучесть сопровождается образованием различного рода разрывов сплошности (микропоры и трещины на стыках зерен), которые ослабляют материал, а кроме того, могут служить зародышами усталостных макротрещин при циклическом нагружении.
Для того чтобы установить механизм влияния ползучести на усталость, необходимо хотя бы качественно оценить вклад в изменение выносливости каждого из перечисленных факторов ползучести. Применительно к сплаву АК4-1 эта задача решалась экспериментально путем испытания на усталость образцов, предварительно подвергнутых длительному нагреву под статической нагрузкой и без нее. Таким способом из всего многообразия компонентов ползучести, влияющих на выносливость, выделялся эффект, обусловленный одним только температурным воздействием.
Испытания проводились на образцах цилиндрической формы с круговой проточкой и плоских с центральным отверстием. Цилиндрические образцы изготовлялись из прессованного профиля, а плоские—из листа толщиной 1,5 мм. Материал в обоих случаях был в состоянии поставки — закален и искусственно состарен. Цилиндрические образцы после предварительной деформации ползучести под растягивающей статической нагрузкой испытывались на консольный изгиб с вращением (частота вращения 4,7 гц). Остронадрезанные цилиндрические образцы (теоретический коэффициент концентрации — 2,6) испытывались при амплитуде переменного напряжения оа = 10 кгс/мм2, а гладкие—при аа=20,7 кгс/мм2. Плоские образцы подвергались деформации ползучести как при растяжении, так и при сжатии, после чего испытывались на пульсирующее растяжение при нулевом минимальном напряжении с частотой 40 гц для низких уровней переменного напряжения и 0,1 гц — для высоких. Испытания на усталость проводились при комнатной температуре. Выносливость для каждого режима ползучести или выдержки при повышенной температуре без статической нагрузки определялась по 4—6 образцам. Влияние длительного нагрева на усталостную долговечность оценивалось отношением срединного (медиана) числа циклов до разрушения Ыт после вы-
держки при повышенной температуре той же длительности, что и испытания на ползучесть, к исходной срединной долговечности N0, а влияние ползучести — отношением срединной долговечности после испытаний на ползучесть N к Nr ■
Результаты испытаний на усталость цилиндрических образцов после выдержки при повышенной температуре, представленные на фиг. 1, показывают, что длительный нагрев без статической нагрузки в общем снижает выносливость (некоторое увеличение долговечности после выдержки малой длительности вызвано, по-видимому, достариванием материала). Об этом же говорят и данные, полученные на плоских образцах; кривая выносливости для образцов, подвергнутых нагреву, располагается левее исходной кривой, полученной на образцах, не подвергавшихся никакому предварительному воздействию (см. фиг. 3, а). Такой результат можно объяснить ухудшением механических свойств сплава АК4-1-Т1 вследствие его перестарения. Однако при длительном нагреве образца, помимо структурных изменений, может происходить еще и релаксация технологических остаточных напряжений, которые создаются при механической обработке. Величина и характер распределения этих напряжений по сечению образца зависят от тех-
нологии изготовления, материала образца, его структурного состояния и т. д. В частности, по данным работы [2], в поверхностных слоях деталей алю-
миниевых сплавов системы Al-Mg-Zn —Си (В-93, В-95, ВАД-23 и др.) остаточные сжимающие напряжения, которые, как известно, благоприятно
влияют на усталостные характеристики, достигают величины 0,6 —0,7 зв. Очевидно, что снятие таких напряжений при длительном нагреве не может не сказаться на выносливости.
С целью определения влияния технологических остаточных напряжений были проведены испытания на усталость образцов с надрезом, сделанным до и после выдержки при повышенной температуре. Такие испытания проводились на гладких и остро-надрезанных образцах цилиндрической формы, а также плоских с отверстием. Цилиндрические образцы предварительно выдерживались при двух значениях температуры (150 и 175° С) в течение 1000 час. Параметры выдержки плоских образцов: 7 = 175° С и t = 300 час.
Было обнаружено, что на уровнях циклического напряжения, близких к пределу выносливости, долговечность образцов, надрез на которых делался после выдержки при повышенной температуре, для всех исследованных температурно-временных режимов и типов концентратов существенно выше, чем у образцов, подвергнутых длительному нагреву при наличии надреза. Полученное в среднем двух- и трехкратное различие является, по-видимому, следствием релаксации остаточных напряжений, образующихся при механической обработке образца. С увеличением уровня повторных нагрузок
влияние технологических остаточных напряжений заметно уменьшалось.
Что касается влияния выдержки при повышенной температуре под статической нагрузкой (ползучести), то, как видно из фиг. 2 и 3, предварительная деформация ползучести при растяжении в среднем увеличивает выносливость надрезанных образцов, а при сжатии — снижает (данные на фиг. 2, б, условно отнесенные к значению / = 0, получены при длительности испытаний на ползучесть Ь=Ъ мин). Это свидетельствует о наличии эффекта макроостаточ-ных напряжений. В первом случае эффект является благоприятным,
£
"г
4
2
^10 15 20 бст[ягс/мм2] 0 500 г1/час7
а) 6)
Фиг. 2
так как остаточные напряжения сжимающие, а во втором—неблагоприятным.
Для определения относительного вклада в изменение выносливости остаточных напряжений, образующихся вследствие неравномерной по сечению деформации ползучести и местного превышения предела текучести, осуществлялась кратковременная выдержка образцов под статической растягивающей нагрузкой при повышенной температуре в течение 5 мин с последующим циклическим нагружением (перед статическим нагружением образцы выдерживались при температуре испытания в течение 7 час). Поскольку вязкая деформация за такой короткий промежуток времени практически не успевает накопиться, остаточные напряжения в данной
случае могут образоваться в основном за счет неравномерной упруго-пластической деформации.
Данные на фиг. 2, а (в случае £ = 5 мин под Nt подразумевается долговечность образцов после выдержки при температуре 175° С без нагрузки в течение 7 час) показывают, что влияние на выносливость кратковременного статического нагружения начинает проявляться лишь при сравнительно высоких статических нагрузках— аст —20 кгс\мм2 и выше, тогда как с увеличением длительности выдержки под статической нагрузкой (ползучести) влияние ее на выносливость заметно при гораздо более низких уровнях напряжения и температуры. Было обнаружено также, что если выдержка в течение 5 мин при напряжении зст = 20 кгс1мм2 и температуре 175° С увеличивает выносливость в 1,5 раза, то при тех же значениях температуры и напряжения предварительное воздействие ползучести в течение 500 час увеличивает выносливость более чем в 14 раз. Все это дает основание предполагать, что остаточные напряжения в зоне надреза образуются в основном за счет неравномерной по сечению вязкой деформации, скорость накопления которой зависит от параметров ползучести.
Повреждающего влияния ползучести на выносливость, обусловленного образованием в материале разрывов сплошности (растрескиванием), на остронадрезанных цилиндрических образцах обнаружить на фоне эффекта неравномерной деформации ползучести не удалось в связи с тем, что в данном случае этот эффект является преобладающим. Тоже самое наблюдалось и на плоских с отверстием образцах на низких уровнях повторной нагрузки отах-<10 кгс/мм2: нижняя часть кривой 4 на фиг. 3, а лежит правее кривой 3. Ползучесть при растягивающей статической нагрузке аст = 7,5 кгс\мм2, температуре 175° С и длительности 300 час (кривая 2) повышает долговечность на всех уровнях циклического напряжения по сравнению с выдержкой при повышенной температуре, а на низких уровнях—даже по сравнению с исходной.
С повышением амплитуды переменного напряжения из-за значительных циклических пластических деформаций в зоне концентратора макроостаточные напряжения, обусловленные ползучестью, быстро релаксируют и начинает проявляться повреждающий эффект ползучести. К этому же привело и увеличение длительности ползучести плоских образцов при сохранении остальных ее параметров (см. фиг. 3, б).
Наличие повреждающего действия растрескивания подтверждается также данными, полученными на гладких цилиндрических образцах. В образцах такой конфигурации деформация ползучести накапливается практически равномерно по всему сечению и поэтому остаточные напряжения после снятия статической нагрузки не возникают. Следовательно, можно считать, что изменения усталостной долговечности в этом случае обусловлены лишь температурным воздействием, разрыхлением материала и наклепом.
График на фиг. 4, где по горизонтальной оси отложена длительность ползучести t в отношении к времени до разрушения t*, определенному из испытаний на ползучесть гладких образцов при тех же значениях параметров ост и Т, показывает, что после некоторого начального повышения выносливости наблюдается уменьшение ее по линейному закону с увеличением длительности предварительной ползучести.
Выше отмечалось, что на низких уровнях повторной нагрузки повреждающего влияния ползучести не заметно на фоне влияния макроостаточных напряжений. Объяснить этот факт можно следующим образом.
Известно, что ползучесть приводит к уменьшению концентрации напряжения. В частности, при осевом растяжении в процессе ползучести происходит сглаживание пика осевого нормального напряжения и смещение его в глубь сечения. Так как разрушение при ползучести обусловлено именно нормальными, а не касательными напряжениями, то первые очаги разрушения возникнут во внутренних слоях металла под надрезом. Поверхностные же слои металла в зоне концентратора после снятия статической нагрузки будут упрочнены наклепом и нагружены остаточными напряжениями, которые в случае ползучести при растяжении, так же, как и наклеп, повышают усталостную прочность. Если же учесть, что усталостная трещина зарождается и начинает распространяться всегда по поверхности образца или детали, то отсутствие повреждающего эффекта, связанного с растрескиванием материала при ползучести, становится понятным.
Следует отметить, что такая интерпретация согласуется с результатами работ [3] и [4], в которых исследовался характер разрушения при ползучести соответственно цилиндрических и плоских надрезанных образцов, и установлено, что разрушение начинается во внутренних слоях металла, расположенных на глубине 0,2— 0,4 мм от дна надреза.
Таким образом, на выносливость образцов или элементов конструкции, подвергнутых воздействию ползучести при наличии концентрации напряжения, влияет большое количество факторов, которые могут быть как повреждающими, так и упрочняющими. Суммарный эффект определяется соотношением между этими противоположно действующими факторами, а оно, в свою очередь, зависцт от параметров ползучести, уровня повторных нагрузок, степени концентрации напряжения и т. д. Поэтому в каждом конкретном случае влияние ползучести может быть различным и количественно, и качественно. Так, на выносливость нижней поверхности обшивки крыла СПС, работающей на растяжение, наряду с факторами, связанными с длительным температурным воздействием, будут благоприятно влиять деформационное упрочнение и остаточные напряжения в зоне концентраторов, например, вблизи
отверстий под заклепки. Поэтому может оказаться, что ползучесть в данном случае либо не изменит усталостную прочность, либо даже повысит ее. Что же касается выносливости верхней поверхности крыла, то поскольку она подвергается воздействию ползучести под сжимающей статической нагрузкой и все факторы ползучести, кроме наклепа, действуют в сторону снижения выносливости, здесь влияние ползучести будет, по-видимому, повреждающим.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мак Л и н Д. Механические свойства металлов. М., „Металлургия", 1965.
2. Фридляндер И. Н. и др. Влияние остаточных напряжений на прочностные свойства и скорость ползучести высокопрочного алюминиевого сплава системы А1 — Mg — 2п — Си. В сб. .Алюминиевые сплавы', вып. 5. М., „Металлургия”, 1968.
3. М и р к и н И. Л., Т р у н и н Н. Н. Исследование ползучести и разрушения стали в зоне концентрации напряжений. В сб. „Прочность металлов”, М., Изд. АН СССР, 1956.
4. Бородин Н. А., С е р е н с е н С. В. О длительном разрушении в зоне концентрации. Изв. АН СССР — „Механика и машиностроение”, 1960, № 4.
Рукопись поступила 13/УП 1971 г.
