Введение

Проблема разработки высокопрочных материалов всегда являлась приоритетной для авиационного материаловедения, поскольку доминирующим критерием, характеризующим совершенство конструкции летательного аппарата, является отношение массы полезного груза к массе конструкции. Единственным направлением в реализации существенного снижения массы конструкции является использование все более высокопрочных материалов, позволяющих уменьшить рабочее сечение детали. Для материаловеда прочность ассоциируется, прежде всего, с характеристиками, полученными при стандартных испытаниях гладких образцов на одноосное растяжение, – пределом прочности (временно́е сопротивление) и пределом текучести материала. Однако оперирование конструкторами только показателями прочности, полученными при стандартных испытаниях на растяжение, привело к многочисленным авариям и катастрофам конструкций из высокопрочных материалов. Катастрофическое разрушение конструкции обусловлено переходом пластичного состояния материала в хрупкое, которое зависит от вида напряженно-деформированного состояния материала, влияния внешних факторов (температура, радиация, поверхностно-активная среда) и масштабного эффекта [1].

Влияние напряженно-деформированного состояния на несущую способность наглядно продемонстрировано в работе [2] для сталей с различным уровнем прочности. Для стального образца с надрезом несущая способность оказалась на уровне =1300 МПа при прочности σ_в=2300 МПа, определенной на гладком образце. Для стали с прочностью σ_в=1350 МПа образец с аналогичным надрезом показал несущую способность на уровне =2250 МПа. Надрез, создающий трехосное напряженно-деформированное состояние в материале образца, фактически поменял местами стали с разным уровнем прочности, выдвинув на первое место по несущей способности сталь с низким пределом прочности [3–5]. Поскольку в большинстве конструкций присутствуют концентраторы напряжений, то материаловед сталкивается с крайне сложной задачей обеспечения высокого уровня прочности для любых вариантов напряженно-деформированного состояния, в том числе и с учетом воздействия внешних факторов [6–12].

Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ) является лидером по разработке материалов с предельно возможным уровнем прочности. В середине 50-х годов прошлого века в лаборатории «Конструкционные и специальные стали» разработали сталь марки ЭИ643 с пределом прочности σ_в=  кгс/мм² (1960 МПа). Поскольку было очевидно, что повышение статической прочности стали может привести к снижению надежности конструкции из-за вероятности хрупкого разрушения были выполнены обширные прочностные испытания с привлечением модельных образцов. На образце-проушине получили овализацию отверстия при нагрузке 121000 кгс (1190 кН) без разрушения ушка серьги. Напряжения разрушения при изгибе трубчатых образцов значительно (в 1,5 раза) превышали предел прочности стандартных образцов, а потеря несущей способности происходила из-за потери устойчивости трубы в сжатой зоне. Испытания сварных модельных образцов из стали ЭИ643 при многократных статических нагрузках (2·10³–6·10³ циклов нагружения) также показали высокую конструкционную прочность. Несмотря на положительные результаты по характеристикам статической усталости, применение стали было ограничено. Сталь марки ЭИ643 рекомендовалась для применения в деталях шасси, осях, болтах, шпильках, работающих на срез, и в других деталях, не имеющих значительных концентраторов напряжений.

Альтернативной разработкой лаборатории в области высокопрочных сталей явилась сталь марки ВКС-1 с уровнем прочности по техническим условиям (ТУ) не менее 190 кгс/мм² (1860 МПа). Сталь была рекомендована для обечаек емкостей разового действия, работающих кратковременно под внутренним давлением, причем оговаривалось, что обечайки изготавливаются раскаткой без продольных швов. Следует отметить существенное уточнение содержания углерода в стали в процессе ее производства.

Перечень конструкционных высокопрочных сталей был дополнен разработками из сталей баллистического применения. Сталь КВК-42 с уровнем прочности не менее 190 кгс/мм² (1860 МПа) также предназначалась для тонкостенных емкостей с бесшовными обечайками изделий разового применения.

Формально, когда требования конструкторов к материалу деталей шасси повысились до 200 кгс/мм² (1960 МПа), ни одна отечественная сталь не удовлетворяла этим условиям, что привело в итоге к применению американской стали марки 300М для деталей шасси самолета МС-21. В справочнике MMPDS-02 наряду со статической прочностью стали 300М приводились ее усталостные характеристики, что обеспечивало возможность оценки ресурса шасси [13]. Отсутствие данных по усталостной долговечности высокопрочных сталей явилось основанием для проведения данной работы.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 2.2. «Квалификация и исследования материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [14].

Материалы и методы

Сотрудниками ФГУП «ВИАМ» (Э.А. Елисеевым, Н.Г. Покровской, Н.А. Самченко, Н.А. Якушевой) лаборатории «Конструкционные и специальные стали», возглавляемой В.И. Громовым, в сжатые сроки были выполнены исследования по разработке стали с прочностью 200 кгс/мм² (1960 МПа) для замены американской стали марки 300М. Ведущий научный сотрудник Н.Г. Покровская предложила использовать резервы вязкости разрушения стали ВКС-9 при жесткой регламентации углерода. Разработанная в середине 80-х годов прошлого столетия сталь ВКС-9 характеризовалась пределом прочности σ_в=195–215 кгс (1910–2100 МПа), относительным удлинением δ₅=9%, относительным сужением ψ=40% и вязкостью разрушения, достигающей K_1с=300 кгс/мм^3/2 (95 МПа  ). Сталь рекомендовалась к производственному опробованию для изготовления механически обрабатываемых деталей, в том числе деталей шасси. Совершенствование метода выплавки с жесткой регламентацией содержания углерода позволило решить крайне сложную, как следует из вышесказанного, проблему – достижение уровня прочности не менее 200 кгс/мм² (1960 МПа).

Разработана технология изготовления крупногабаритных полуфабрикатов (поковки сечением 300×300 и 350×350 мм) из стали ВКС-9, выплавленной методом ИД (ВИ+ВДП). При выплавке содержание углерода находится в регламентированном диапазоне, обеспечивающем требования к статической прочности для стали. Аналогичные требования вынуждены соблюдать и американские разработчики стали 300М, что следует из градации механических характеристик, представленных в справочнике MMPDS-02.

Промышленное изготовление поковок сечением 300×300 и 350×350 мм осуществляли на АО «Металлургический завод «Электросталь». Научное сопровождение изготовления поковок, а также проведение всех технологических операций по изготовлению и термической обработке образцов осуществляли сотрудники лаборатории «Конструкционные и специальные стали» ФГУП «ВИАМ».

Разработанная во ФГУП «ВИАМ» сталь марки ВКС-9 предназначена для применения в высоконагруженных деталях и агрегатах летательных аппаратов, а также для замены американской стали 300М, используемой в настоящее время для изготовления шасси самолета МС-21.

Поскольку шасси самолета работает в условиях периодически повторяющихся нагрузок, то необходима оценка работоспособности материала в условиях действия переменных напряжений [15, 16]. Усталостная долговечность зависит от множества факторов, среди которых определяющим является вид нагружения, характеризующий напряженно-деформированное состояние образца [17–19].

В отечественной практике масштабные исследования усталостной долговечности конструкционных материалов проводились на испытательных машинах, реализующих нагружение по схеме «чистый изгиб с вращением». Данный вариант испытаний имитирует напряженное состояние валов и осей большинства машин и механизмов, в которых действуют нагрузки, приводящие к изгибающим моментам. В этом случае, как и в реальных механизмах, реализуется цикл нагружения с коэффициентом асимметрии R=-1, который представляется наиболее опасным по отношению к циклам со средним напряжением. При нагружении по схеме «чистый изгиб с вращением» в образце реализуется неоднородное напряженно-деформированное состояние, когда максимальные напряжения возникают только на поверхности образца, а в центре образца они равны нулю.

В образце, испытываемом по варианту нагружения «растяжение–сжатие», создается однородное напряженно-деформированное состояние. При этом в процесс деформации включается все сечение образца, а не только поверхностные слои, как это имеет место для варианта «чистый изгиб с вращением». В американском справочнике MMPDS-02 усталостные характеристики приводятся для схемы нагружения «растяжение–сжатие».

Для корректного сравнения усталостных характеристик, полученных по различным схемам нагружения, проведены сравнительные испытания стали ВКС-9 как в условиях одноосного «растяжения–сжатия», так и «чистого изгиба с вращением».

Усталостные испытания в условиях «растяжение–сжатие» проводили на испытательной машине резонансного типа TESTRONIC 100 с блоком управления ТОРР (рис. 1). Максимальная статическая нагрузка составляет 100 кН, размах переменной нагрузки 100 кН, точность измерения статической и переменной нагрузки 0,5%, стабильность переменной нагрузки лучше 0,5%. Эскиз и общий вид образца представлены на рис. 2.

Рис. 1. Общий вид испытательной машины TESTRONIC 100 (а) и установленный в захваты машины образец (б)

Теоретический коэффициент концентрации напряжения для данного образца равен K_t=1,02 [3]. Испытания проводили в лабораторных условиях (температура испытаний Т=20±5°С, влажность ψ=35–45%) при асимметрии цикла «растяжение–сжатие» R=-1 и частоте испытаний f=83 Гц. Ось образцов соответствовала продольному направлению поковки. Для получения высокого качества рабочей поверхности образца использовали продольную полировку, позволяющую исключить в рабочей зоне поперечные риски, являющиеся одним из факторов значительного разброса усталостных характеристик.

Рис. 2. Эскиз (а) и общий вид образца (б) при испытании по схеме «растяжение–сжатие»

Наряду с испытаниями по циклу «растяжение–сжатие» проведены испытания стали ВКС-9 в условиях «чистого изгиба с вращением». Испытания проводили на испытательной машине Zwick/Roell UBM 200. Максимальный изгибающий момент составлет 200 Нм, класс точности 1, максимальная частота вращения шпинделя машины для усталостных испытаний 6000 об/мин. Регулировка частоты вращения обеспечила возможность проведения усталостных испытаний при изгибе с частотой, принятой при испытаниях в условиях «растяжение–сжатие». Частоту вращения шпинделя устанавливали 5000 об/мин, что соответствует частоте нагружения 83 Гц. Общий вид испытательной машины и зоны установки образца представлены на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид испытательной машины Zwick/Roell UBM 200 (а) и опоры с цанговыми захватами и с установленным образцом (б)

Оригинальность испытательной машины Zwick/Roell UBM 200 состоит в создании изгибающего момента в плоскости установочного стола в отличие от стандартных машин, в которых нагружающее устройство создает изгибающий момент в плоскости груза. Изгибающий момент на образце создается жестким рычагом, к которому прикладывается усилие через гибкую систему с нормируемым грузом. Рычаг крепится к опоре, в цанговый захват которого зажимается образец. Для передачи изгибающего момента на образец необходимо, чтобы опора с цанговым захватом была подвижна. Задача подвижности нагружающей опоры решается путем «вывешивания» ее на воздушной подушке для чего используется воздушный компрессор. При данном решении проблема учета усилия трения и его влияния на изгибающий момент отпадает. Сложности, вызванные необходимостью использовать воздушный компрессор, окупаются простотой и точной оценкой изгибающего момента.

Эскиз образца для испытания на чистый изгиб и его общий вид представлены на рис. 4.

Рис. 4. Эскиз (а) и общий вид образца (б) для испытания по схеме «чистый изгиб с вращением»

Теоретический коэффициент концентрации напряжения для данного образца равен K_t=1,02. Испытания проводили в лабораторных условиях при асимметрии цикла R=-1 и частоте испытаний f=83 Гц. Заготовки под образцы вырезали в продольном направлении – ось образцов соответствовала продольному направлению поковки. Для получения высокого качества рабочей зоны образцов в качестве финишной операции применяли продольную полировку, аналогичную полировке образцов, испытываемых по циклу «растяжение–сжатие».

Результаты испытаний

Результаты усталостных испытаний в условиях схемы «растяжение–сжатие» представлены в табл. 1 и отражены на рис. 5, а.

Таблица 1

Результаты усталостных испытаний при «растяжении–сжатии» образцов из стали ВКС-9
из поковок сечением 350×350 и 300×300 мм (продольное направление)

Рис. 5. Кривые усталости стали ВКС-9 при нагружении по схемам «растяжение–сжатие» (а) и «чистый изгиб с вращением» (б) с асимметрией цикла R=-1 и K_t=1,02

Максимальные растягивающие и сжимающие напряжения, действующие в образце в условиях чистого изгиба, определяли по формуле:

σ=32·М/3,14·d³=10,19 М/d³,

где М – изгибающий момент; d – диаметр образца.

Результаты усталостных испытаний при «чистом изгибе с вращением» образцов из стали ВКС-9 из поковки сечением 300×300 мм представлены в табл. 2 и на рис. 5, б.

Таблица 2

Результаты усталостных испытаний в условиях «чистого изгиба с вращением» образцов из стали ВКС-9 из поковки сечением 300×300 мм (продольное направление)

* Без разрушения.

Для более наглядного сопоставления результатов усталостных испытаний данные, полученные при испытании в условиях «растяжение–сжатие» и при «чистом изгибе с вращением», представлены совместно на рис. 6. Анализ показывает, что при высоком уровне амплитуд усталостного цикла (˃1000 МПа) разброс усталостных характеристик для образцов, испытанных на одном уровне напряжений, незначителен. Разброс по усталостным характеристикам существенно увеличивается при уменьшении амплитуды цикла и соответственно увеличению усталостной долговечности. Разброс значений почти на порядок при базах испытаний 10⁶ циклов нагружения характерен для высокопрочных сталей, в том числе для сталей марок 300М и AISI 4340.

Рис. 6. Кривые усталости стали ВКС-9 при нагружении по схемам «растяжение–сжатие» (■) и «чистый изгиб с вращением» (♦)

Пределы ограниченной выносливости для образцов, испытанных при нагружении по схеме «растяжение–сжатие», оказываются несколько ниже показателей, полученных по схеме испытаний «чистый изгиб с вращением». Снижение предела ограниченной выносливости для цикла нагружения «растяжение–сжатие» по сравнению с «чистым изгибом с вращением» на базе испытаний 10⁴ циклов нагружения составляет ~7%. Увеличение базы испытаний до 2·10⁶ циклов приводит к снижению значений, достигающему 19%. Снижение предела ограниченной выносливости при схеме испытаний «растяжение–сжатие» обусловлено бо́льшим вовлечение материала, работающего в условиях максимальных напряжений, тогда как при «чистом изгибе с вращением» максимальные напряжения затрагивают только поверхностные слои.

Пределы ограниченной выносливости для стали ВКС-9 для нагружения по схемам «чистый изгиб с вращением» и «растяжение–сжатие» составляют соответственно: 1200 и 1060 МПа на базе 6·10⁴ циклов, 1100 и 940 МПа на базе 2·10⁵ циклов и 1080 и 920 МПа на базе 3·10⁵ циклов.

Поскольку ряд образцов (103-19, 103-22, 103-23, 103-24) не разрушились на базе испытаний 6·10⁶ циклов, то их испытание было продолжено при более высоких напряжениях. Результаты испытаний образцов (103-19, 103-22, 103-23, 103-24), повторно испытанных по схеме «чистый изгиб с вращением», представлены в табл. 3.

Таблица 3

Усталостная долговечность образцов после повторных испытаний

* Без разрушения.

Результаты повторных усталостных испытаний образцов из стали ВКС-9 подтвердили ее высокие характеристики ограниченной выносливости, которые практически не изменились, несмотря на значительную предварительную усталостную наработку.

Заключения

Проведены сравнительные усталостные испытания образцов из стали ВКС-9 при частоте нагружения 83 Гц и коэффициенте концентрации напряжений K_t=1,02 как в условиях нагружения «растяжение–сжатие» с коэффициентом асимметрии R=-1, так и симметричного нагружения «чистый изгиб с вращением».

Установлено, что значения пределов ограниченной выносливости при испытании гладких образцов из стали ВКС-9 при симметричном нагружении «чистый изгиб с вращением» превышают значения пределов ограниченной выносливости при нагружении «растяжение–сжатие» на базе 10⁵ циклов – на 12%, а на базе 10⁶ – на 16%.

Значения предела ограниченной выносливости на базе испытаний 6·10⁴ циклов для гладких образцов из стали ВКС-9 находятся на уровне: 1200 МПа при нагружении по схеме «чистый изгиб с вращением» и 1060 МПа при симметричном нагружении по схеме «растяжение–сжатие».