CC BY
69
ЯлГЙОяО/
Уфа : УГАТУ. 2011_____________________________________________________________________________СУ_Т. 15, №3(43). С. 90-93
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 539.43:621.452
А. М. Щипачев, В. С. Мухин
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ГТД И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ПЕРЕХОД ОТ СВЕРХМН0Г0ЦИКЛ0В0Й К МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ
Показано, что при росте температуры переход от сверхмногоцикловой к многоцикловой усталости происходит при меньшей долговечности Следствие этого - в области сверхмногоцикловой усталости неэффективно применение упрочняющих методов обработки, поскольку в этом случае металл всегда разрушается из-под поверхности. Усталостная долговечность; сверхмно-гоцикловая усталость; многоцикловая усталость; температурно-ресурсные зоны
Традиционные представления об усталостном нагружении, связанные с кривой Велера, в настоящее время претерпевают изменения. Развитие синергетики, неравновесной термодинамики позволили рассмотреть с новых позиций процесс усталостной повреждаемости и разрушения. При этом перед исследователями предстала картина намного более сложная и многообразная. Появилась возможность объяснить ранее неизвестные причины поведения металла.
Достаточно новое понятие в науке «сверх-многоцикловая усталость» (СМЦУ) может быть объяснено также с позиций синергетики. Как выяснилось, традиционная кривая Велера оказалась неточна. Согласно традиционным представлениям, при достижении некоторой амплитуды переменных напряжений ол = оя разрушение не должно произойти при неограниченном числе циклов N. Величина Од названа пределом выносливости. Предполагается, что если при достижении некоторой базы испытания (к примеру, при сравнительных испытаниях для черных металлов она принимается равной 5 -106 циклов [1]) разрушения не произойдет, значит, оно не произойдет и при N —> оо.
Однако в исследованиях последних лет [2, 3] показано, что в действительности это не так. Если продолжить испытания при оа < ак в область больших долговечностей, то после горизонтального участка наблюдается снова наклонный участок при N = 108... 101" циклах. Разрушение произойдет при аа < пн\ На рис. 1 для иллюстрации представлены результаты испытаний высокопрочной стали как в области многоцикловой усталости (МНЦУ), так и в области СМЦУ (данные А. А. Шанявского [4]).
Испытания на СМЦУ длительны и дорогостоящи. К примеру, при частоте нагружения
6000 об./мин. (машина МУИ-6000) достижение N = 109 циклов займет 2780 часов (чуть меньше 4 месяцев). С появлением высокочастотных машин для усталостных испытаний (порядка 25 кГц) сократились сроки проведения испытаний и появились новые данные по СМЦУ.
Как видно на рис. 1, существуют два наклонных участка (и это было доказано многими исследователями [2, 3, 4 и др.]): первый соответствует термодинамически открытой системе, к описанию которой необходимо применять принципы синергетики, второй - частично замкнутой системе, описываемой равновесной термодинамикой. В частично замкнутой системе процессы «более обратимы» и медленно изменяются во времени. Рассеяние экспериментальных данных снижается [4].
а -10 3 МПа
/V, циклы
Рис. 1. Экспериментальные кривые усталостного разрушения образцов из высокопрочной стали в области МНЦУ (кривая 1) и СМЦУ (кривая 2) [4]
Контактная информация: (347)273-07-63
Как оказалось, в соответствии с синергетическими представлениями предел выносливости не один, а происходит его квантование, т. е. теоретически их, по меньшей мере, три. Они соответствуют бифуркационным переходам при изменении оа. А. А. Шанявский отмечает [4]: «Металл под действием циклической нагрузки при переходе от одного уровня возрастающего напряжения к другому испытывает ряд дискретных, самоорганизованных переходов к способам диссипации энергии, позволяющим поддерживать его устойчивость, что выражено в изменении условий зарождения усталостных трещин. В области напряжений ниже од частично замкнутая система реализует предельное состояние по моменту возникновения трещины на удалении от поверхности».
С ростом напряжений (оа > од) роль поверхности в возникновении трещины начинает возрастать. Как показывают исследования, с уменьшением напряжений зарождение трещины начинается под поверхностью.
К примеру, анализ результатов исследований влияния лазерного упрочнения поверхности на усталостную прочность А1 - сплава 2024 - Т3 (А. А. Шанявский [4]) в интервале напряжений 295...270 МПа показал, что произошла смена механизма разрушения. Трещины, зарождавшиеся с поверхности при более высоком напряжении, зарождаются под поверхностью после перехода через точку неустойчивости по уровню уменьшающегося циклического напряжения.
Из этого следует, что кривая 1 (рис. 1) диаграммы усталостного разрушения соответствует поверхностному разрушению, роль состояния поверхности при этом значительна, следовательно, велика роль технологического воздействия на поверхность. Кривая 2 соответствует частично замкнутой системе и подповерхностному очагу разрушения: трещина в любом случае будет зарождаться под поверхностью и влияние технологии поверхностной обработки на долговечность должно быть незначительно.
При понижении переменных напряжений ниже од, неупрочненная деталь (образец) (рис. 1) как термодинамическая система переходит с кривой 1 на кривую 2 (разрушение с поверхностного становится подповерхностным). Если упрочнить поверхность детали (ППД), то она будет разрушаться уже как частично замкнутая система, т. е. по кривой 2 даже при оа > оД (см. участок кривой 2 выше од, рис. 1). Таким образом, упрочняя деталь, мы искусственно переводим ее в состояние частично замкнутой системы. При этом зарождение трещины - под-
поверхностное и влияние состояния поверхности (шероховатости, покрытий) на усталость невелико.
Все опубликованные исследования в этой области не рассматривают температуру как внешний фактор. При высокотемпературных испытаниях порядка 500-900 оС, соответствующих реальным условиям эксплуатации деталей ГТД, физическая картина повреждаемости и разрушения меняется. Термодинамический переход «частично замкнутая система - открытая система» (кривая 1 - кривая 2, рис. 1) может трансформироваться.
Применительно к жаропрочным сплавам при высоких температурах, соответствующих эксплуатационным, близким к температурам отпуска, были определены области в координатах «амплитуда переменных напряжений - долговечность до разрушения» (о - Ы)), в которых эффективны те или иные методы ППД [5]. Исследования проводились для двух марок жаропрочных сплавов ХН51ВМТЮКФР и ХН77ТЮР. Для примера на рис. 2 показана диаграмма усталостной прочности сплава ХН51ВМТЮКФР в зависимости от метода ППД при температуре 850 оС. Из диаграммы (рис. 2) видно, что в области А напряжений от 350 МПа и выше (соответствующая долговечность N до 8-107 ц.), наибольшей N обладают образцы, обкатанные роликами. В области В напряжений от 310 до 350 МПа (Ы от 8-107 до 5-108 ц.) - образцы, имеющие сквозной наклеп оптимальной величины. А в области С напряжений менее 310 МПа (Ы более 5-108 ц.) - электрополирован-ные.
ст.1» МПа
6 8 10 5 2 5 68 106 2 4 5 8 10 7 2 4 6 5108 2 N. цикл
Рис. 2. Усталостная прочность сплава ХН51ВМТЮКФР в зависимости от технологии обработки при температуре испытания 850оС:
• - электрополирование; о - обкатка роликами;
□ - шлифование; А - сквозной наклеп растяжением (2,5 %)
На основе серий диаграмм для указанных сплавов, испытанных при температурах 400, 650, 800 оС и напряжениях симметричного цикла 400 и 520 МПа (с определением соответствующих значений логарифма усталостной долговечности ^ ^, были определены температурно-ресурсные зоны эксплуатации этих жаропрочных сплавов. На рис. 3 показана
диаграмма температурно-ресурсных зон для сплава ХН51ВМТЮКФР. Эти диаграммы показывают для конкретного сплава и условий испытаний возможность применения того или иного технологического метода обработки материалов, исходя из условий получения наиболее высоких прочностных свойств. Как видно из диаграммы (рис. 3), все возможные в реальных условиях сочетания температур и ресурсов работы деталей разделены на три зоны. В зоне А условия эксплуатации таковы, что поверхностная обработка существенно сказывается на работоспособности материала (эта зона соответствует достаточно низкой температуре при большом ресурсе, а при высокой температуре - малый ресурс). Поэтому для повышения долговечности деталей в этих эксплуатационных условиях эффективными окажутся технологические методы упрочнения деталей. В зоне В по условиям наибольшей прочности необходимо применять деформационное упрочнение оптимальной величины (поверхностное или сквозное). В зоне С при любых сочетаниях температуры и ресурса условия эксплуатации деталей таковы, что в силу релаксации остаточных напряжений они не оказывают заметного влияния на долговечность материала. Снижение долговечности будет происходить соответственно величине наклепанного слоя. Максимальной же долговечностью в зоне С будут обладать детали,поверхностный слой которых не претерпевал пластической деформации (элекгрополи-рованные).
Из анализа диаграммы рис. 3 можно выдвинуть следующую гипотезу. Область А соответствует области МНЦУ, в которой поверхностнопластическое деформирование (ППД) приводит к повышению N. Область С - соответствует области СМЦУ, в которой методы ППД неэффективны. А область В - переходная, соответствующая точке (области) бифуркационого перехода. Таким образом, наблюдаем область бифуркационного перехода при существенно меньших долговечностях, чем приводимые в литературе сведения для нормальных температурах испытаний.
Рис. 3. Температурно-ресурсные зоны
работоспособности сплава ХН51ВМТЮКФР при циклических испытаниях
Диаграмма температурно-ресурсных зон (рис. 3) по сути показывает нам смещение указанной области бифуркационого перехода (заштрихованная область В) в область меньших долговечностей при росте температуры!
Металлографическое исследование структуры материала поверхностного слоя разрушившихся образцов [5] показал, что работоспособность материала при высоких температурах существенно зависит от исходных свойств металла поверхностного слоя. Показано, что развитие трещин усталости в исследованных сплавах, обработанных точением, шлифованием и испытанных при 950 °С и оа = 240 МПа (зона А) происходило из поверхностного очага. После ППД очаг усталостной трещины был также подповерхностным.
Таким образом, на основе анализа диаграмм температурно-ресурсных зон эксплуатации жаропрочных сплавов и сопоставления с современным видом кривой усталостного разрушения был сделан вывод: при росте температуры переход СМЦУ - МНЦУ происходит при меньшей долговечности [6].
Следствие этого: в области СМЦУ неэффективно применение упрочняющих методов обработки, поскольку в этом случае металл всегда разрушается из-под поверхности. С новых позиций возможно теоретическое обоснование комплекса параметров качества, требуемого по условиям эксплуатации и соответствующих технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 25.504-82 «Методы расчета характеристик сопротивления усталости».
2. Шанявский А. А. Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации. Уфа: ООО «Монография», 2007. 500 с.
3. Терентьев В. Ф. К вопросу о пределе выносливости металлических материалов // Металлове-
дение и термическая обработка металлов. 2004. № 6. С. 22-28.
4. Шанявский А. А. Сверхмногоцикловая усталость металла как свойство частично замкнутой самоорганизующейся системы // Металлургия машиностроения. 2005. № 4. С. 25-32.
5. Мухин В. С. Поверхность: технологические аспекты прочности деталей ГТД. М.: Наука, 2005. 296 с.
6. Щипачев А. М. Температурно-ресурсные зоны работоспособности жаропрочных сплавов и явление сверхмногоцикловой усталости // ФиПС-08 «Прикладная синергетика в нанотехнологиях»: Тр. 5-го международн. междисциплинарн. симпозиума. 17-20 ноября 2008 г. М.: МАТИ, 2008. С. 356-357.
ОБ АВТОРАХ
Щипачев Андрей Михайлович, проф. каф. технологии машиностроения. Д-р техн. наук по материаловедению в машиностроении (ИПСМ РАН, 2000). Иссл. в обл. прогнозирования характеристик усталостной прочности с учетом технологии обработки.
Мухин Виктор Сергеевич, проф. той же каф. Д-р техн. наук (МАИ, 1975). Иссл. в обл. хим. и физ.-механическ. свойств поверхности деталей ГТД на различных этапах изготовления и эксплуатации; повышения прочности, надежности и долговечности деталей ГТД технологическими методами.
