Влияние ползучести на рост трещины при нерегулярном циклическом нагружении Текст научной статьи по специальности «Физика»

Том XXXIV

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

20 0 3

№ 1—2

УДК 629.735.33.015.4:539.43 539.219.2

ВЛИЯНИЕ ПОЛЗУЧЕСТИ НА РОСТ ТРЕЩИНЫ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

С. И. ОЛЬКИН

Рассмотрены результаты экспериментального исследования влияния ползучести на процесс распространения трещины при нерегулярном циклическом нагружении. Установлено, что это влияние имеет место лишь в условиях установившейся ползучести, когда деформация ползучести превышает упругую практически во всем сечении детали или элемента конструкции.

Даны рекомендации по учету нерегулярности нагружения при прогнозировании длительности роста трещины в условиях комбинированного (усталость + ползучесть) нагружения, характерного для конструкций сверх- и гиперзвуковых самолетов.

Эксплуатационные нагрузки, действующие на элементы авиаконструкций, сильно отличаются параметрами единичных циклов нагружения. Наиболее изменчивой от цикла к циклу является амплитуда напряжений. В этих условиях существенную роль играет взаимодействие циклов с различной амплитудой, которое исследовали, проводя испытания на трещиностойкость при регулярном циклическом нагружении с единичными циклами перегрузок. Было обнаружено, в частности, что после цикла перегрузки рост трещины при последующем циклическом нагружении сильно замедляется. При этом большая перегрузка может полностью остановить рост трещины.

Имеется ряд расчетных моделей для количественного описания процесса распространения трещины при нерегулярном циклическом нагружении. Большинство из них базируется на предположении о том, что взаимодействие нагрузок разных уровней обусловлено образованием остаточных напряжений в так называемой зоне пластичности перед вершиной трещины и, как следствие, уменьшением эффективных значений коэффициентов интенсивности напряжений (КИН). Эти напряжения стремятся закрыть трещину. Последующие циклические нагрузки могут вызвать рост трещины, если величина остаточных напряжений будет превышена настолько, чтобы вершина трещины снова могла раскрыться. Как только трещина прорастет через область остаточных напряжений (зону пластичности), исходный вид кривой ее роста вновь восстанавливается.

Эффекты взаимодействия нагрузок разного уровня хорошо изучены для случая чисто усталостного нагружения. Применительно же к условиям эксплуатации сверх- и гиперзвуковых самолетов, спектр нагружения которых, кроме циклических нагрузок, характерных для дозвуковых самолетов, включает в себя ползучесть, эта проблема остается неизученной.

При комбинированном нагружении ползучесть может существенно усложнить механизм взаимодействия циклических нагрузок, так как создает условия для релаксации остаточных напряжений. Ранее [1] было исследовано влияние нерегулярности циклического нагружения в виде периодически повторяющихся редких циклов больших нагрузок на кинетику трещины при сочетании усталости и ползучести при температуре 175 °С. Испытывали образцы из алюминиевого сплава АК4-1Т1.

Результаты испытаний показали, что редкие циклы перегрузки растяжением оказывают значительное влияние на процесс роста трещины в условиях чистой усталости, т. е. при циклическом нагружении без ползучести. Это проявляется в существенном (в 3—4 раза) снижении скорости роста трещины (СРТ). При комбинированном же нагружении СРТ практически одинакова как при наличии перегрузок, так и без них, т. е. влияние нерегулярности отсутствует. Такой результат объясняется тем, что ползучесть обеспечивает эффективную релаксацию локальных остаточных напряжений сжатия, образующихся после циклов перегрузок, и тем самым устраняет их тормозящее действие.

Уровень температуры (175 °С), при которой реализовали ползучесть в проведенных ранее испытаниях, достаточно высок для алюминиевых сплавов. Известно, что при температурах выше 150°С накопление значительной деформации в этих сплавах происходит не только в вершине трещины, но и в основном сечении образца, что облегчает протекание процесса релаксации. Однако в авиационных конструкциях значительная общая деформация ползучести недопустима. Она может накапливаться лишь в сравнительно небольших по размеру зонах вблизи различного рода концентраторов напряжений и/или в окрестности вершины трещины.

В настоящей работе с целью более детального изучения механизма влияния ползучести на процесс взаимодействия циклических нагрузок с разными амплитудами проведена серия дополнительных экспериментов. При этом уровень температуры на режиме ползучести был выбран более близким к эксплуатационным ее значениям, чем уровень температуры в ранее проведенных испытаниях.

Испытывали образцы из листа сплава 1215Т1 (жаропрочный алюминиевый сплав нового поколения с улучшенными характеристиками статической прочности и трещиностойкости). Образцы шириной 100 мм и толщиной 2 мм имели концентратор в виде центрального отверстия диаметром 2 мм с двумя боковыми прорезями шириной 0,3 мм каждая. Прорези выполняли электроискровым методом. Испытания проводили по схемам:

усталость при Т =20°С (стах = 12 кг/мм2), 1 цикл перегрузки при Т =20°С, усталость при Т =20°С (с тах = 12 кг/мм 2 ).

усталость при Т =20°С (стах = 12 кг/мм2 ), 1 цикл перегрузки при Т =20°С, ползучесть при

Т = 120°С, сст = 12 кг/мм2, т = 24 ч, усталость при 20°С (стах = 12 кг/мм2 ).

Чтобы оценить влияние уровня больших нагрузок, испытания проводили при трех значениях максимального напряжения циклов перегрузок — 1,5стах, 1,75 стах и 2стах, что

соответствовало 18, 21 и 24 кг/мм2. Кроме того, были проведены испытания при блочном

нагружении; при этом каждый блок состоял из 1000 циклов нагрузки (с тах = 12 кг/мм2), 1 цикла

перегрузки 2стах и следующей за ним ползучести при Т = 120°С, сст = 12 кг/мм2 продолжительностью т = 1,5 ч. Таким способом воспроизводили периодичность действия больших нагрузок и одновременно чередование процессов усталости и ползучести, которое имеет место в условиях эксплуатации. Для выявления влияния деформационных факторов проводили испытания с аналогичной структурой блока, но без ползучести.

Эксперимент выполнили на электрогидравлической машине, оснащенной печью, в которой в качестве нагревательных элементов использовали йоднокварцевые лампы.

Перед испытаниями в образцах создавали трещины при циклическом нагружении при комнатной температуре. Измерение длины трещины в процессе эксперимента осуществляли с помощью микроскопа с 24-кратным увеличением.

На рис. 1, 2 и 3 приведены кривые роста трещины, демонстрирующие влияние единичных циклов перегрузок на рост трещины в условиях чистой усталости. Числа циклов, пройденные образцами до цикла перегрузки, помечены на графиках вертикальными штриховыми линиями.

В количественном отношении явление задержки роста трещины при изменении условий нагружения принято характеризовать числом циклов нагрузки (), во время прохождения

которого скорость роста трещины остается практически равной нулю. Методика определения

величины ^ предложена в [2].

Результаты определения величины , полученные при обработке кривых роста трещины

на рис. 1, 2 и 3 по этой методике, свидетельствуют о сильном влиянии уровня перегрузок. Число 8-

7 6

2

г 5

2 I

!"

п>

I

I 2 1

О

1—

f

1 I I

1

1

1-

f^

4-I

2000 4000 6000 8000 ЧИСЛО ЦИКЛОВ

10000 12000

Рис. 1. Сплав 1215Т1; схема нагружения: усталость (Т = 20°С) + 1 цикл перегрузки 1,5 omax (Т = 20°С) + усталость (Т = 20°С)

12 10 8 ■ 6 4 2 0

■ /

■ /

/

-1-

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 ЧИСЛО ЦИКЛОВ

Рис. 2. Сплав 1215Т1; схема нагружения: усталость (Т = 20°С) + 1 цикл перегрузки 1,75o„,x (Т = 20°С) + усталость (Т = 20°С)

8

X з

а б

X

5

01

0 5000 10000 15000 20000

ЧИСЛО ЦИКЛОВ

Рис. 3. Сплав 1215Т1; схема нагружения: усталость (Т = 20°С) + 1 цикл перегрузки 2,0с„х (Т = 20°С) + усталость (Т = 20°С)

циклов при увеличении максимального напряжения цикла перегрузки от 1,5 до 1,75 стах возрастает соответственно от 2100 до 6650 циклов, а после цикла перегрузки 2с тах задержка роста трещины продолжалась после прохождения образцом более 18 000 циклов.

Кривые роста трещины, приведенные на рис. 4 и 5, показывают, что влияние ползучести при Т = 120°С на рост трещины после единичных циклов перегрузок не очень существенно. Величина , определенная по этим кривым и характеризующая совместное влияние цикла перегрузки и ползучести, составляет 2400 и 9900 циклов соответственно для перегрузок 1,5 и 1,75 стах. Сравнивая эти значения с теми, которые определены по кривым на рис. 1 и 2, можно заключить также, что ползучесть лишь незначительно увеличивает тормозящее действие редких циклов больших нагрузок. Таким образом, данные на рис. 1, 2, 4 и 5 свидетельствуют

Рис. 4. Сплав 1215Т1; схема нагружения: усталость (Т = 20°С) + 1 цикл перегрузки 1,5сттах (Т = 20°С) + ползучесть (т = 24 ч) при Т = 120°С + усталость (Т = 20°С)

20

15

3 'О

ш

о.

1 1 ■ А / 1

1 1 У

1

х- / 1 1 1

5000 10000 15000 20000 25000 30000 число циклов

Рис. 5. Сплав 1215Т1; схема нагружения: усталость (Т = 20°С) + 1 цикл перегрузки 1,75сттах (Т = 20°С) + ползучесть (т = 24 ч) при Т = 120°С + усталость (Т = 20°С)

о том, что при температуре 120°С влияние деформационных факторов ползучести на рост трещины при наличии редких циклов больших нагрузок не только количественно, но и качественно отличается от их влияния при более высокой (175°С) температуре; при Т = 175°С ползучесть, как отмечалось, практически полностью устраняет замедление роста трещины, вызываемое единичными циклами перегрузок.

На рис. 6 представлены результаты испытаний сплава 1215Т1 при блочном нагружении. Кривые роста трещины в случае усталости без ползучести, а также при комбинированном нагружении располагаются близко друг от друга. Таким образом, эти результаты, как и

представленные на рис. 1, 2, 4 и 5 данные, демонстрируют незначительность влияния ползучести на рост трещины при нерегулярном циклическом нагружении.

£ £

I

3" <и о.

5

с; ч:

__

У* г —■— 1 _2

/

5000 10000 15000 число циклов

20000

Рис. 6. Сплав 1215Т1; блочное нагружение, один блок содержит:

1 — усталость при Т = 20°С (1000 циклов при сттах = 12 кг/мм2 + 1 цикл перегрузки 2,0ст1шх); 2 — то же + ползучесть (т = 1,5 ч) при 120°С

Известно, что в условиях ползучести вблизи вершины трещины образуется зона, где происходит интенсивная релаксация напряжений. Размер этой зоны, называемой зоной локализованной ползучести, увеличивается во времени. Когда зона релаксации становится сравнимой по своим размерам с ^-зоной (область конечных размеров, в которой имеет место упругое распределение напряжений и деформаций), происходит переход от режима локализованной ползучести к режиму установившейся ползучести. В последнем случае деформация ползучести значительно превышает упругую практически во всем сечении детали или элемента конструкции. Условия локализованной ползучести реализуются в материалах, обладающих высоким сопротивлением ползучести, и/или при сравнительно невысокой температуре. При этом размер зоны релаксации мал по сравнению с размерами трещины.

Ридель и Райс [2] провели анализ асимптотических решений для зависящих от времени напряжений в окрестности вершины трещины и сформулировали критерий перехода от состояния локализованной ползучести к режиму установившейся ползучести. Они предложили параметр называемый характеристическим временем и определяемый для состояния плоской деформации формулой

ч =

(1 -V2 )

Е ( т +1) С * '

где V — коэффициент Пуассона; Е — модуль упругости; множитель (1 -V2) для плоского

напряженного состояния равен 1.

В соответствии с критерием Риделя — Райса состояние локализованной ползучести имеет место в случае, если характеристическое время ^ намного превышает продолжительность

испытаний. В другом, крайнем случае (t □ 11) реализуется состояние установившейся

ползучести.

Критерий Риделя — Райса был использован нами, чтобы определить, какой из режимов ползучести реализуется для алюминиевых сплавов при температурах 120 и 175°С. Параметр С*, входящий в формулу для определяли по методике, предложенной в [3]. Обнаружено, что при

Т = 120°С для указанных сплавов характерно состояние локализованной ползучести, а при Т = 175°С — состояние установившейся ползучести.

Этот результат позволяет интерпретировать рассмотренные выше экспериментальные данные следующим образом. В состоянии установившейся ползучести создаются условия для релаксации остаточных напряжений, образующихся в вершине трещины за счет действия редких циклов больших нагрузок. Вследствие этого взаимодействие циклических нагрузок разных уровней практически отсутствует. В состоянии локализованной ползучести, наоборот, влияние последней на характер взаимодействия различных по амплитуде нагрузок незначительно, и его можно не учитывать.

Механизм взаимодействия циклических нагрузок разных уровней, а также влияние ползучести на кинетику напряжений в вершине трещины в качественном отношении одинаковы для металлических материалов разных классов независимо от их химического состава и механических свойств. Поэтому вывод, сделанный на примере алюминиевых сплавов относительно влияния ползучести на процесс роста трещины при нерегулярном нагружении, можно, по-видимому, распространить на другие жаропрочные авиаматериалы (стали, титановые и никелевые сплавы), которые рассматриваются как основные конструкционные материалы, например для перспективных гиперзвуковых самолетов в варианте «горячей» конструкции.

В целом полученные в данной работе результаты позволяют сформулировать следующие рекомендации по учету нерегулярности нагружения при прогнозировании длительности роста трещины в элементах сверх- и гиперзвуковых самолетов:

на начальном этапе расчета с использованием критерия Риделя — Райса следует определить, какой из режимов ползучести характерен для конкретного элемента конструкции и уровня эксплуатационной температуры;

в случае, если в элементе конструкции реализуется состояние установившейся ползучести, расчет производится на базе разработанной ранее для условий комбинированного нагружения кинетической модели трещиностойкости с использованием принципа линейной суперпозиции, т. е. без учета взаимодействия циклических нагрузок разных уровней;

для режима локализованной ползучести расчет СРТ в пределах усталостной части спектра нагружения следует производить с помощью моделей и методов, которые разработаны и апробированы применительно к дозвуковым самолетам, не внося в них дополнительных корректив, связанных с учетом влияния ползучести.

ЛИТЕРАТУРА

1. Олькин С. И. К методике прогнозирования скорости роста трещины в условиях ползучести//Ученые записки ЦАГИ.— 1990. Т. XXI, № 4.

2. Riedel H., Rice. J. R. Tensile cracks in creeping solids// ASTM STP 700.— 1980.

3. O hj i K., O g ur a K., K ub o S. Estimates of J-integral in the general yielding range and its application to creep crack problems// Transactions of JSME.— 1978. Vol. 44. N 382.

Рукопись поступила 1/IV 2002 г.