CC BY
10
ИСПЫТАНИЯ. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
УДК 620.16/17
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-3-69-72
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ИСПЫТАНИЙ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПОКОВОК ИЗ СПЛАВА ЭП975ИД
Евгений Иванович Швечков, докт. техн. наук, Алексей Михайлович Казберович, канд. техн. наук, Даниил Владимирович Батяев, канд. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. Представлены данные о вязкости разрушения K1o и скорости роста усталостных трещин (СРТУ) в поковках из сплава ЭП975ИД при комнатной и повышенных (650 - 750 С) температурах. Исследовали компактные образцы на внецентренное растяжение (тип ВР). При определении K1c каждый из них испытывали дважды с применением метода многократного определения вязкости разрушения на одном образце. Характеристики трещиностойкости (K1c и СРТУ) определяли по изменению разности электрических потенциалов (РЭП) по мере увеличения длины трещины. Проведено сравнение значений K1c, полученных на образцах типа ВР и образцах с боковым надрезом на растяжение (тип БНР).
Ключевые слова: испытание; образец; температура; вязкость разрушения; скорость роста усталостных трещин; разность электрических потенциалов
An Effect of Test Temperature on Crack Resistance of EP975 ID Alloy Forgings.
Dr. of Sci. (Eng.) Evgeny I. Shvechkov, Cand. of Sci. (Eng.) Alexey M. Kazberovich,
Cand. of Sci. (Eng.) Daniil V. Batyayev
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. Data on fracture toughness K1C and fatigue crack growth rate (FCGR) at room and elevated (650-750 °C) temperatures in EP975ID alloy forgings are presented. Eccentric tension of compact specimens (ET-type) was examined. When determining K1c, each of them was tested twice using the method of multiple determination of fracture toughness on one specimen. The crack resistance characteristics (K1c and FCGR) were determined from the change in the electric potential difference (EPD) as the crack length increased. The K1c values obtained using the ET-type specimens and edge-notch specimens (EN-type) were compared.
Keywords: test; specimen; temperature; fracture toughness; fatigue crack growth rate; electric potential difference
Введение
Материалы конструктивных элементов, работающих в условиях переменного нагруже-ния, должны иметь высокие характеристики трещиностойкости - низкую скорость роста усталостных трещин (СРТУ) и высокую вязкость разрушения (K1с), которые определяют
ресурс и безопасную эксплуатацию авиационных конструкций, в том числе критических деталей ГТД. Для корректного определения этих характеристик разработаны российские и зарубежные стандарты [1-5], устанавливающие требования к размерам образцов и методам их испытаний. В соответствии с требованиями этих нормативных документов проведены
многочисленные испытания на трещиностой-кость различных конструкционных сплавов, в основном, при комнатной температуре. Данных о К1с и СРТУ дисковых материалов при повышенных температурах значительно меньше. Специфические особенности проведения испытаний на трещиностойкость в этих условиях обусловлены отсутствием возможности визуального наблюдения за развитием трещин на образце, находящемся в закрытом нагревательном устройстве. В частности, это относится к никелевым сплавам, являющимся основным конструкционным материалом дисков и валов авиационных газотурбинных двигателей, которые эксплуатируются при воздействии переменных нагрузок и повышенных температур. Трещиностойкость при высоких температурах обычно определяют методами разности электрических потенциалов (РЭП) или упругой податливости.
Ниже приведены экспериментальные данные о вязкости разрушения и скорости роста усталостных трещин в поковках из дискового сплава ЭП975ИД при температурах 20, 650, 750 °С. Проведено сравнение результатов по СРТУ с данными для жаропрочных никелевых сплавов ЭП741НП и ЭК79ИД, полученных методами металлургии гранул и горячей пластической деформации слитка соответственно.
Образцы и исследуемые материалы
Испытывали прямоугольные компактные образцы на внецентренное растяжение (тип ВР) толщиной 30,0 мм из поковки сплава ЭП975ИД с механическими свойствами, приведенными в табл. 1. Надрез в образце ориентировали вдоль радиуса поковки.
Три образца на внецентренное растяжение не доводили до разрушения. Из каждой торцевой части неразрушенного образца вырезали пластину для изготовления двух образцов
Таблица 1 Механические свойства при 20 °С сплавов ЭП741НП, ЭК79ИД и ЭП975ИД
Сплав ав, МПа а0,2, МПа 8, % V, %
ЭП975ИД 1370-1390 1020-1030 23,2-24,8 19,6-19,8
ЭК79ИД 1415-1488 949-1058 16,8-18,4 18,7-21,0
ЭП741НП 1394-1442 895-947 20,4-31,2 22,3-30,5
с боковым надрезом (тип БНР) с поперечными размерами 12х12 мм. Эти испытания на К1с провели Н.А. Воробьев и Г.В. Коржова. Направление надреза образцов типов БНР и ВР совпадало. Цель их проведения состояла в сравнении результатов, полученных на двух типах образцов. Результаты испытаний на СРТУ сравнивали с данными, полученными Н.А Воробьевым и А.В. Демиденковым для сплавов ЭП741НП и ЭК79ИД (см. табл. 1).
Методика определения характеристик трещиностойкости
Испытания на трещиностойкость (К1с и СРТУ) проводили методом разности электрических потенциалов (РЭП), нашедшим широкое применение в различных отраслях механики разрушения [6, 7]. Метод РЭП основан на том, что при пропускании электрического тока через образец с трещиной в нем возникает нарушение поля электрических потенциалов, которое изменяется по мере роста трещины.
В работе разность электрических потенциалов измеряли между двумя точками, расположенными по обе стороны от трещины на расстояниях от нее и надреза, равных 3 мм. Положение токоснимающих проводов на образцах отличалось не более чем на 0,5 мм, что обеспечивало приемлемые чувствительность и точность метода. Образцы типа ВР испытывали на вязкость разрушения два раза по методу [1]. При первом определении образец не доводили до разрушения, а его нагружение прерывали в тот момент, когда на записываемой диаграмме «разность электрических потенциалов U - нагрузка Р» появлялось отклонение от монотонного (горизонтального) хода кривой, соответствующее предварительно определенному подросту статической трещины, равному 2 %. Кроме образцов из сплава ЭП975ИД, было испытано несколько образцов из сплава ЭП741НП, отличающихся более гладкими поверхностями разрушения. Расчет статической вязкости разрушения образцов обоих типов проводили по формулам, приведенным в [2, 3], соответственно для образцов типов ВР и БНР
Определение СРТУ также проводили с помощью метода разности электрических потенциалов. Для получения зависимости между длиной трещины и числом циклов нагружения при каждой температуре (20, 650, 750 °С) строили та-
рировочные кривые «и-/». Для этого несколько образцов испытывали с изменением режима на-гружения по мере роста усталостной трещины. На изломах образцов были видны четко выраженные границы (маркеры), связанные с переходным режимом нагружения. По этим маркерам находили длины усталостных трещин, которым ставили в соответствие величины сигналов и и число циклов до нагружения. Построение графиков циклической трещиностойкости - К проводили по методике [4]. ^
Результаты испытаний
на вязкость разрушения
Экспериментальные данные о вязкости разрушения поковок из сплава ЭП975ИД при 20, 650, 750 °С приведены в табл. 2.
Полученные данные свидетельствуют о заметном влиянии температуры испытаний на вязкость разрушения. По мере ее повышения с комнатной до 650 и 750 °С значения вязкости разрушения уменьшаются. Это характерно для обоих типов исследованных образцов. На образцах типа ВР при увеличении температуры с 20 до 650 °С среднее значение К1с уменьшилось в 1,14 раза, а дальнейшее повышение температуры с 650 до 750 °С привело к более значительному снижению К1с (в 1,31 раза). На образцах типа БНР соответствующие коэффи-
Таблица 2 Результаты испытаний на вязкость разрушения образцов из сплава ЭП975ИД при комнатной и повышенных (650 и 750 °С) температурах
Т, °С Тип образца Число определений К1с Среднее значение К1с, МПа • Тм Среднее значение К1с по двум нагру-жениям, МПа - 7м
Первое нагру-жение Второе нагру-жение
20 ВР 5 138,8 136,3 137,5
650 6 117,6 123,2 120,4
750 5 92,8 90,4 91,6
20 БНР 2 146,7 - -
650 2 123,4 -
750 2 105,0 -
циенты снижения равны 1,19 и 1,18. Близкий характер изменения вязкости разрушения от температуры имел место для испытанных ранее образцов из сплава ЭП741НП (в 1,09-1,17 раза) при изменении температуры с комнатной до 650 °С и в 1,25-1,31 раза при ее возрастании с 650 до 750 °С. Необходимо отметить, что значения К1с, определенные при первом и втором нагружениях, отличались мало.
Вид изломов образцов в основном был близок к прямому без боковых скосов. Их поверхности разрушения имели четко выраженные зоны статического и усталостного подростов трещины, а величины максимального сужения ус в области разрушения, как правило, были меньше 1,5 %. Согласно [2, 3] эти факты позволяют считать, что полученные результаты корректны при всех исследованных температурах.
Результаты определения скорости роста усталостных трещин
Испытания проводили при частоте f = 1,5 Гц и коэффициенте асимметрии цикла Я = 0,1. Следует отметить, что по имеющимся данным скорость роста усталостных трещин существенно зависит от частоты испытаний.
Экспериментальные данные об СРТУ в поковках из сплава ЭП975ИД приведены на ри-
Ю"
10"^
8 7 6 5 4
✓ □
+
□ о
ХНп £1 □ Д +3 о / /
Т= 6! □ П о°с ¿л V5
д -
0
1
1 —А и
X
X о
10
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
АК, МПа^м
Влияние температуры испытаний на СРТУ поковок из сплава ЭП975ИД при 20, 650, 750 °С:
+ - диски из сплава ЭП741НП (650 °С); х - диски из сплава ЭК79ИД (650 °С)
сунке. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с повышением температуры испытаний скорость роста усталостных трещин существенно увеличивается (в 3 - 4 раза при изменении температуры от 20 до 650 °С и примерно во столько же раз при дальнейшем ее повышении до 750 °С). На рисунке приведены экспериментальные данные, полученные Н.А. Воробьевым и А.В. Де-миденковым для дисков из сплава ЭП741НП и штамповок из сплава ЭК79ИД [8]. Видно, что по характеристикам трещиностойкости эти полуфабрикаты лучше поковок из сплава ЭП975ИД, полученных горячей деформацией слитка.
Выводы
1. Предложен метод определения вязкости разрушения никелевых сплавов при рабочих
температурах 650 и 750 °С, основанный на измерении разности электрических потенциалов в процессе нагружения образца.
2. При комнатной и повышенной (650 и 750 °С) температурах получены экспериментальные данные о вязкости разрушения и скорости роста усталостных трещин в поковках из сплава ЭП975ИД. Показано, что увеличение температуры с комнатной до 650 °С приводит к уменьшению вязкости разрушения в 1,14 раза. Дальнейшее возрастание температуры до 750 °С способствует более резкому (в 1,31 раза) снижению вязкости разрушения.
3. Изменение режима нагружения (частоты, коэффициента асимметрии цикла) при наведении усталостных трещин приводит к образованию четко выраженных границ на поверхности изломов образцов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кудряшов В.Г., Смоленцев В.И. Вязкость разрушения алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1976. 296 с.
2. ГОСТ 25.506-85. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик тре-щиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Государственный комитет по стандартам. 1985. 61 с.
3. ASTM E-399-05. Standard test method for linear-elastic plane-strain fracture toughness of metallic material. Annual book of ASTM standards. 1995. V.03.01-2005. P. 412-442.
4. ОСТ 1 92127-90. Метод определения скорости роста усталостной трещины при испытании с постоянной амплитудой нагрузки. М.: ВИЛС, 1980. 66 с.
5. ASTM E647-00. Standard method measurement of fatigue crack growth rates. Annual book of ASTM standards. V.03.01.2002. P. 594-635.
6. РД 50-345-82. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости при циклическом нагружении. М.: Издательство стандартов, 1983. С. 52-53.
7. Кудряшов В.Г. Методы контроля и исследования легких сплавов: Справ. Гл. 5. М.: Металлургия, 1985.
8. Воробьев Н.А., Демиденков А.В., Кайнов А.Б. Методы контроля гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов на трещиностойкость // В кн. Металлургия гранул. Вып. 6. М.: ВИЛС, 1992. С. 313-318.
REFERENCES
1. Kudryashov V.G., Smolentsev V.I. Vyazkost' raz-rusheniya alyuminiyevykh splavov. M.: Metallurgiya, 1976. 296 s.
2. GOST 25.506-85. Metody mekhanicheskikh ispy-taniy metallov. Opredeleniye kharakteristik treshchi-nostoykosti (vyazkosti razrusheniya) pri statiches-kom nagruzhenii. M.: Gosudarstvennyy komitet po standartam. 1985. 61 s.
3. ASTM E-399-05. Standard test method for linear-elastic plane-strain fracture toughness of metallic material. Annual book of ASTM standards. 1995. V. 03.01-2005. P. 412-442.
4. OST 1 92127-90. Metod opredeleniya skorosti rosta ustalostnoy treshchiny pri ispytanii s postoyannoy amplitudoy nagruzki. M.: VILS, 1980. 66 s.
5. ASTM E647-00. Standard method measurement of fatigue crack growth rates. Annual book of ASTM standards. V.03.01.2002. P. 594-635.
6. RD 50-345-82. Metodicheskiye ukazaniya. Raschety i ispytaniya na prochnost'. Metody mekhanicheskikh ispytaniy metallov. Opredeleniye kharakteristik tresh-chinostoykosti pri tsiklicheskom nagruzhenii. M.: Izdatel'stvo standartov, 1983. S. 52-53.
7. Kudryashov V.G. Metody kontrolya i issledovaniya legkikh splavov: Sprav. Gl. 5. M.: Metallurgiya, 1985.
8. Vorob'yev N.A., Demidenkov A.V., Kaynov A.B. Metody kontrolya granuliruyemykh zharoproch-nykh nikelevykh splavov na treshchinostoykost' // V kn. Metallurgiya granul. Vyp. 6. M.: VILS, 1992. S. 313-318.
