CC BY
27
УДК 621.793.7
С.А. Войтенко1, О.В. Покатов1, С.Е. Маркович2, В.Н. Фандеев3
1 ОАО «Мотор Сич», Запорожье, Украина. 2 Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»,
Харьков, Украина. 3 ОАО «Днепропетровский агрегатный завод»
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ДЕФОРМИРОВАННОМ МАТЕРИАЛЕ
Аннотация: Проведен анализ циклической трещиностойкости образцов из титанового сплава ВТ5-1, имеющих различные степени остаточной поперечной деформации. Исследовались изменения форм трещин при периодическом нагружении, зависимости пороговых значений коэффициентов интенсивности напряжений от параметров получения трещины.
Трещиностойкость, коэффициент интенсивности напряжений, усталостные трещины, периодическое нагружение
Введение
Предел выносливости является важной характеристикой материала при прогнозировании долговечности детали, подвергающейся периодическому нагружению, что подчёркивает актуальность исследований влияния технологических факторов на величину усталостной прочности. Долговечность определяется двумя стадиями усталостного разрушения — стадией зарождения трещины усталости и стадией ее стабильного распространения. В конструкции или детали, не имеющих начальных дефектов больше определенного критического размера, первая стадия практически определяет время до разрушения. При наличии дефектов больше критического размера долговечность определяется второй стадией. Критический размер трещины - свой для каждого материала. При превышении критического размера постоянной величиной для данного материала является пороговый коэффициент интенсивности напряжений. В этом случае усталостные свойства материала определяются ха -рактеристиками циклической трещиностойкости. Таким образом, необходимо подчеркнуть актуальность исследований влияния технологических параметров на характеристики трещиностойкости материала изделий.
1 Формулирование проблемы
Как свидетельствуют результаты различных исследований, однозначной связи между характеристиками циклической трещиностойкости и пределом выносливости пока не обнаружено [1, 2, 3] — материалы с сильно различающимися пределами выносливости могут иметь примерно одинаковые характеристики трещиностойкости, и наоборот.
Поэтому изучения влияния предварительной пластической деформации на предел выносливости титановых сплавов недостаточно для представления полной картины изменения свойств материала при циклическом нагружении. Необходимо исследование характеристик трещиностойкости при периодическом нагружении.
Изучению влияния пластической деформации на характеристики циклической трещиностойкости металлов посвящены и работы [2, 3, 4, 5, 6]. В них рассматриваются различные типы пластического деформирования: растяжение, сжатие, холодная прокатка. В работе [6] обнаружено, что при повышении степени пластической деформации циклическая и статическая трещиностойкость изменяется экстремально: при малых деформациях эти характеристики возрастают, а затем наблюдается их снижение. Исследованиями Легри, Хаддата и Топ -пера установлено, что предварительное деформирование прокаткой стали САЕ1010 оказывает незначительное влияние на скорость роста трещин свыше 10-9 м/цикл (рис.1).
© С.А. Войтенко, О.В. Покатов, С.Е. Маркович, В.Н. Фандеев 2006 г.
Рис. 1 - Влияние предварительного деформирования прокатной стали САЕ1010 на скорость роста усталостных трещин [2]: 1 — уменьшение в толщине 23%, 2 — 56%, 3 — 76%
Однако ниже, чем 10-9 м/цикл холодная прокатка значительно повышает скорость роста и изменяет величину порогового коэффициента интенсивности напряжений К^ [2]. Важно отметить, что предел выносливости при холодной прокатке данной стали значительно увеличивается.
Аналогичные исследования алюминиевого сплава В95пчТ2 показали, что предварительная пластическая деформация сжатием до 5—8% практически не изменяет скорость роста трещин усталости, но повышает значение предела выносливости.
Однако, предварительное пластическое растяжение того же сплава наоборот увеличивает скорость роста трещин усталости (рис.2), а на предел выносливости не оказывает влияния [3].
Рис. 2 - Изменение скорости роста трещин усталости под действием предварительного пластического деформирования растяжением сплава В95пчТ2 [3]:
У6 — скорость роста трещины в деформированном материале;
-г-;-р-;---
V — в недеформированном материале Таким образом, четкой корреляции между степенью пластической деформации, пределом выносливости и параметрами трещиностойкости пока не существует.
2 Решение проблемы. Определение характеристик трещиностойкости сплава ВТ5-1 при разных степенях предварительной деформации
В данной работе приводятся результаты исследования влияния предварительной деформации на характеристики циклической трещиностойкости титанового сплава типа ВТ 5-1.
При оценке циклической трещиностойкости предварительно деформированного сплава типа ВТ5-1 выделены четыре характерные степени пластической деформации растяжением, соответствующие остаточной поперечной деформации е' 0%, 0,2%, 0,5%, 3,0%. Для этих степеней деформации изучались: изменения форм трещины при периодическом нагружении, зависимости пороговых значений коэффициентов интенсивности напряжений от параметров получения трещины, условия гарантированного неразвития любой усталостной трещины, влияние параметров нагруженности трещины на скорость ее развития.
Исследование влияния начальных условий получения трещины (Кн) на пороговые значения КИН (К() и определение наименьшего из возможных величин пороговых КИН-Кщ осуществлялось с применением методики, разработанной в работах[7, 8].
Для испытаний использовались образцы круглого сечения с диаметром рабочей части 20 мм. Предварительно серии образцов деформировались до заданных величин предварительной деформации (0,2%, 0,5%, 3,0%) центральным растяжением на гидравлическом прессе ГРМ-1. Определение характеристик трещиностойкости проводилось на машине конструкции ЦНИИТМАШ У-20. Схема усталостных испытаний — консольное нагружение при поперечном изгибе с вращением. Частота на-гружения 33 Гц. Цикл симметричный. Полуэллиптическую трещину инициировали в расчетном сечении образца от концентратора в виде отверстия диаметром и глубиной 0,3 мм. Рост трещины наблюдался при помощи микроскопа МБС-9, позволяющего вести контроль за изменением длины трещины с точностью до ±0,01 мм.
Для того, чтобы имелась возможность вычислять коэффициент интенсивности напряжений, необходимо было установить зависимость формы трещины от ее размеров при изгибе с вращением. Для этого вскрывался ряд трещин различных размеров (а/С = 0,05-0,30), полученных при разных условиях циклического нагружения недеформиро-ванного образца. Измеряя соотношение полуосей а и Ь полуэллиптических трещин и применяя линейный регрессионный анализ, установили, что форма трещины длиной не более 0,6 диаметра образца может быть описана уравнением
Ь/а = 0,86 - 0,64 а/с1.
(1)
¡ЭБЫ 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006 # 99 —
Результаты обмера трещин после вскрытия представлены на рисунке 3. Соотношение (1) практически совпадает с корреляционной зависимостью между Ь/а и а/Ь, полученной в работе [8] для сплава типа ВТ6.
Рис. 3 - Зависимость формы трещины от ее относительного размера
Вскрытие и обмер усталостных трещин в образцах, предварительно деформированных растяжением до величин поперечной остаточной деформации 0,2%, 0,5%, 3,0%, показали удовлетворитель-
ное соответствие величин а и Ь уравнению линейной регрессии (1). Это позволяет заключить, что предварительное пластическое деформирование не оказывает влияния на форму усталостной трещины. На рисунке 4, например, можно видеть, что формы вскрытых трещин деформированного и не-деформированного образца одинаковы.
В результате усталостных испытаний при ступенчатом изменении нагрузки получены значения коэффициентов интенсивности напряжений, при которых трещины, выращенные при различных Кн, растут и не растут. Это дало возможность определить пороговые значения К(. По результатам экспериментальных данных для четырех величин остаточной деформации были получены зависимости К от Кн , определены степени чувствительности пороговых значений КИН к начальным условиям а и уровень КИН, при котором трещина любых размеров, полученная при любых условиях, не будет развиваться, — Кщ.
Рис. 4 - Формы усталостных трещин недеформированно-го (а) и деформированного до величины остаточной деформации е' = 3% (б) образцов
Влияние предварительного деформирования на зависимость К от Кн представлено на рисунках 5, 6, 7, 8. Изменение величин Кщ и а при различных степенях деформации отражено в таблице 1.
Рис. 5 - Зависимость пороговых значений К от начальных условий КН для недеформированного сплава типа
ВТ 5-1
Так как база испытаний была принята равной 106 циклов, определенные пороги К соответствовали КИН, при котором скорость развития трещины не превышала 10-11 м/цикл. Испытания проводились на образцах с трещинами размером от 1 до 12 мм. В отличие от влияния предварительного деформирования на предел выносливости сплава типа ВТ 51 [9], резких изменений характеристик трещинос-
ю
МПа- м1/:
Юе =4,
/
2
10
12
14
Кн, МПа-м
тойкости при остаточной поперечной деформации, равной 0,2%, не наблюдается.
Рис. 6 - Зависимость К от КН для деформированного
сплава. е' = 0,2% Рис. 7 - Зависимость К от КН для деформированного сплава. е' = 3,0%
Рис. 8 - Сравнение зависимостей К от КН для титанового сплава типа ВТ5-1: 1 - недеформированного; 2 - деформированного до величины остаточной деформации 0,2%; 3 - деформированного до величины остаточной деформации 0,5%; 4 -деформированного до величины остаточной деформации 3,0%
Повышение порога Кщ и уменьшение чувстви-
к^
МПа-м1,:
/
К> =4, 15/^-
/
10
12
14 Кн, МПам11
тельности к начальным условиям а в исследованном интервале деформаций происходит монотон-
8
6
4
4
2
Kt
МПа-м1'2 8 6
4
2 , МПа- m'
но.
Kt
МПа. M1'2 8
6 4
2 4 6 8 10 12 14 16 Кн, МПа м1/2
Таблица 1
Характеристики трещиностойкости сплава ВТ5-1 при разных степенях предварительной деформации
Заключение
Можно заключить, что предварительное пластическое деформирование растяжением оказывает некоторое положительное влияние на такую важную характеристику циклической трещиностойкости, как пороговое значение Кщ [10]. По мере возрастания величины деформации от 0 до 3% происходит незначительное повышение уровня порога Кщ от 4,21
до 5,53 МПам1/2. При этом снижается чувствительность пороговых значений коэффициентов интен-
Sr,% Kt0, МПа.м1/2 a
0 4,21 0,354
0,2 4,75 0,230
0,5 4,85 0,226
3,0 5,53 0,097
сивности напряжений к условиям получения усталостной трещины (рис.8).
'' Mater., Exp. and Design Fatique: Proc. Fatique'81, Warwick, 24-27 March, 1981 .-Guildford, 1981 .-P. 97105.
3. Каинов А.Б. Генетика усталостного разрушения легких сплавов в связи с пластическими деформациями при формообразовании элементов конструкций: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. -М.; 1986.20 с.
4. Трощенко В.Т., Ясний П.В., Покровский В.В. Влияние однократной предварительной пластической деформации на трещиностойкость. Сообщение 2. Подход к прогнозированию скорости роста усталостных трещин ''Проблемы прочности -1988. -№ 12.-С. 14-18.
5. Влияние предварительной пластической деформации на параметры трещиностойкости стали ' В.Н.Хитров, Ю.А.Озеров, В.Н.Литовченко, А.В.Павловский ''Механика разрушения металлов: Тез. докл. 1 Всесоюзной конф .-Львов, 1987.-С. 300.
6. Георгиев М.Н., Симонов Ю.Н. Влияние предварительной холодной пластической деформации на трещиностойкость малоуглеродистой стали ''Изв. АН СССР Сер. Металлы.-1988.-№1.-С. 103-106.
7. Вассерман Н.Н., Згогурин В.В. Исследование условий нераспространения трещин усталости при круговом изгибе образцов из сплава типа ВТ6 '' Динамика и прочность механических систем.-Пермь, 1977.-С. 131-133.
8. Вассерман Н.Н., Калугин В.Е., Ковалев И.Е. Влияние предварительной пластической деформации на характеристики циклической трещиностой-кости титанового сплава типа ВТ5-1 ''Сопротивление усталости и повышение несущей способности изделий методом поверхностной пластической деформации: Тез. докл. научн. техн. конф. -Пермь,1988-С. 29-30.
9. Вассерман Н.Н., Гладковский В.А., Згогурин В.В. К определению коэффициента интенсивности напряжений при изгибе круглых гладких образцов с трещинами усталости ''Физико-химическая механика материалов.— 1978.—№2.—С.42-48.
Поступила в редакцию 01.04.2006 г. Рецензент: д-р техн. наук, проф. Борисе-вич В.К. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского « ХАИ», Харьков
/
1 I
/
Литература
1. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин на прочность и долговечность: (Справочник). -М.: Машиностроение, 1985.—224 с.
2. Legris L., El Haddat M.H., Topper T.N. The effect of cold rolling on the fatique properties of a SAE 1010
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006
- 101 -
Анота^я: Проведено анал1з цикл1чно!'тр1щиност1йкост1 зразкв з титанового сплаву ВТ5-1, що мають р1зн i ступен1 залишково!' поперечно!' деформацИ Досл1джувалися зм ¡ни форм тр1щин при пер1одичному навантаженн1, залежност1 граничних значень коеф1ц1ент1в ¡нтен-сивност1 напружень вд параметр1в одержання тр1щини.
Abstract: The analysis of cyclic crack-resistance of samples from titanium alloy ВТ5-1, which have various degree of residual strains, is carried out. The changes of the cracks forms were investigated at periodic loading, dependence of critical values of pressure intensity parameters from crack parameters.
