Введение

Развитие современной авиационной техники связано с разработкой и внедрением новых конструкционных материалов в связи с повышенными эксплуатационными требованиями. Перспективными в этом направлении являются металлические композиционные материалы (МКМ), армированные неорганическими волокнами системы Ti–SiC [1–3]. Однонаправленные МКМ на основе титановых сплавов, армированные волокнами карбида кремния, обладают высокими прочностью и модулем упругости, легкостью, повышенной сопротивляемостью распространению трещин при статических и циклических нагрузках, высоким сопротивлением ползучести. Разработка высокопрочных высокомодульных волокон, обладающих низкой плотностью, и создание композиционных материалов на их основе позволило изменить многие конструкции в авиастроительной отрасли [4–6].

За рубежом волокнистый МКМ системы Ti–SiC разрабатывается и применяется в качестве конструкционного материала в двигателях военных и гражданских самолетов, а также космических системах. Наиболее распространенными титановыми сплавами для МКМ системы Ti–SiC являются сплавы марок Ti-64, Ti-15-3, IMI 834 и TIMETAL-21S. Для армирования выбирают волокна карбида кремния, как правило, одного из двух типов: волокна на углеродном керне диаметром 140 мкм марки SCS и волокна на вольфрамовом керне диаметром 100 мкм фирмы Tisics [7–11].

Одним из важных критериев, предъявляемых к деталям авиационной техники, являются высокие эксплуатационные характеристики и длительный ресурс работоспособности.

В связи с этим представляют интерес исследования по распространению трещин в волокнистых МКМ системы Ti–SiC при циклических нагрузках.

Механизмы, обеспечивающие сопротивление развитию трещины,

и факторы, влияющие на процесс ее роста в волокнистых МКМ

На основе представленных в зарубежной научно-технической литературе исследований скорость роста трещины в МКМ системы Ti–SiC меньше, чем в неармированном матричном сплаве. Это связано с основными механизмами, способствующими рассеянию энергии движущейся трещины, что приводит к сопротивлению развитию трещины в МКМ. Как правило, эти механизмы действуют последовательно. По первому механизму, за счет которого происходит рассеивание энергии движущейся трещины, под действием растягивающих напряжений на берегах трещины возникают сдвиговые напряжения между волокном и матричным сплавом, что приводит к разрыву связи на границе раздела «волокно–матрица». Второй механизм связан с вытягиванием волокон из матричного сплава – так образуются волокна, соединяющие берега трещины. В этом случае энергия движущейся трещины затрачивается на преодоление сил трения по поверхности раздела «волокно–матрица». Благодаря этому эффекту трения скольжения происходит ограничение раскрытия трещины и уменьшение напряжения на ее вершине [10–16].

Поскольку волокна карбида кремния являются высокопрочными, но хрупкими, то инициирование их разрушения происходит в местах концентраторов напряжений – в так называемых внутренних дефектах. Внутренние дефекты чаще всего располагаются на некотором удалении от берегов трещины, благодаря чему происходит образование волокон, соединяющих берега трещины при разрушении большинства волокон. Рассеивание энергии трещины за счет такого механизма обеспечивается только при оптимальной прочности связи на границе раздела «волокно–матрица».

На прочность связи на границе раздела «волокно–матрица» оказывают влияние технология формирования МКМ и степень совершенства структуры волокон.

Если прочность на границе раздела высока, то трещина распространяется магистрально, вытягивания волокон не происходит. При этом характер разрушения будет схож с разрушением матричного сплава. Инициирование разрушения в матричном сплаве происходит в случае, если деформация до разрушения его меньше деформации до разрушения волокон при прочной связи на границе раздела «волокно–матрица». Далее вследствие продольного растяжения волокна вытягиваются и деформация достигает предельной величины, которая соответствует разрыву первого волокна в следе трещины (рис. 1, а). Инициирование разрушения может происходить и по волокну – при условии достаточного количества в нем дефектов, а также при условии, если деформация до разрушения матрицы больше деформации до разрушения волокон. В таком случае образуются локальные множественные разрушения поперек волокон, которые вследствие сдвига матричного сплава будут соединяться в трещину (рис. 1, б) [13, 16].

Рис. 1. Схематическое изображение разрушения волокнистых композитов [13]

Если прочность связи мала, то затраты энергии на преодоление сил трения скольжения будут малы. При этом, если волокна содержат дефекты и деформация до разрушения волокон меньше деформации до разрушения матричного сплава, то волокна легко вытягиваются из матрицы, а разрушение, как правило, происходит по локальным дефектам. Такой вид разрушений представлен на рис. 1, в [13, 17].

Особенности распространения трещины

в волокнистых металлических композиционных материалах

системы Ti–SiC при циклических нагрузках

Распространение усталостной трещины в волокнистых МКМ системы Ti–SiC отличается от этого процесса в традиционных сплавах. Прежде всего, это связано со структурными особенностями волокнистых МКМ и, как следствие, происходящих механизмов, обеспечивающих сопротивление роста усталостной трещины.

Так, в работе [18] проведены исследования роста усталостной трещины МКМ на основе титанового сплава марки TIMETAL-21S, армированного волокнами карбида кремния марки SM1240, объемное содержание которых составляет 35% (объемн.). Испытания проводились на плоских образцах с отверстием при частотах испытания 10; 0,1 и 0,02 Гц, коэффициенте асимметрии R=0,1, при комнатной и повышенных температурах. Образцы изготавливали из пластины однонаправленного МКМ, полученного твердофазным методом «фольга–волокно–фольга» с последующим горячим прессованием. Для того чтобы способствовать возникновению трещин, надрезы были сделаны на противоположных горизонтальных краях центрального отверстия. Рост трещины контролировали электропотенциальным методом. Для исследования механизмов распространения трещины некоторые образцы не доводили до финального разрушения.

Отмечается, что разрушение происходит в основном вдоль одной доминирующей трещины, направленной как перпендикулярно направлению волокон, так и параллельно направлению приложенной нагрузки. На рис. 2 представлено типичное распространение трещины при циклических нагрузках в МКМ системы Ti–SiC [18].

Рис. 2. Распространение трещины в образце металлического композиционного материала
на основе титанового сплава TIMETAL-21S, армированного волокнами карбида кремния
марки SM1240 [18]

Рост усталостной трещины имеет две характерные последовательные стадии. Первая стадия связана с увеличением длины трещины и уменьшением скорости ее роста. При комнатной температуре испытания и частоте 10 Гц минимальная скорость распространения трещины находится на уровне 5,6·10^-6 мм/цикл, а при температуре испытания 500 °С – на уровне 2,4·10^-7 мм/цикл. Завершение этой стадии характеризуется минимальной скоростью роста трещины. Замедление скорости роста трещины происходит из-за вытягивания волокон и появления волокон, соединяющих берега трещины. Вторая стадия характеризуется единичным или повторяющимся событием – ускорением роста трещины, а затем ее замедлением. На рис. 3 представлена зависимость начального коэффициента интенсивности напряжений от скорости распространения трещины, отражающая эти этапы распространения трещины. Такого механизма распространения трещины придерживаются авторы в работах [11, 18–22] по исследованию МКМ системы Ti–SiC на основе титановых сплавов Ti–6Al–4V и Ti-15-3, армированных волокнами карбида кремния.

Рис. 3. Зависимость начального коэффициента интенсивности напряжений от скорости
распространения трещины [18]

Две стадии разрушения видны на характерном изломе МКМ системы Ti–SiC после воздействия циклических нагрузок при температуре 650 °C (рис. 4, а). Первая зона, соответствующая первой стадии разрушения, характеризуется повреждением керна волокна, которое возникает в результате усталости и длительного термического воздействия. Вытянувшиеся в этой зоне волокна относительно короткие. Во второй зоне не наблюдается повреждения керна волокна, а вытянувшиеся волокна длиннее. Длина вытянувшихся волокон, которые перекрывают берега трещины, увеличивается с температурой испытания и обратно пропорциональна частоте нагружения при одинаковом диапазоне приложенных нагрузок и коэффициенте асимметрии. Чем выше скорость роста трещины, тем больше размер фасетки. Кроме того, разрушение волокон происходит и параллельно приложенной нагрузке (рис. 4, б). Типичная поверхность разрушения показана на рис. 4, в [18].

Рис. 4. Излом металлического композиционного материала системы Ti–SiC после воздействия циклических нагрузок при температуре 650 °C [18]

Уменьшение частоты нагружения при повышенных температурах испытания приводит к уменьшению скорости роста трещины. При этом наблюдается схлопывание берегов трещины у ее вершины, так же как описано в работе [18]. В результате приложения нагрузки происходит перераспределение напряжений от матрицы к волокну. Хрупкость волокон и неспособность деформироваться как матричный сплав приводят к увеличению напряжения на волокнах, которые соединяют берега трещины, и сжимающему напряжению в матрице, которое способствует схлопыванию берегов трещины около ее вершины [18, 20, 21, 23].

Результаты исследований показывают, что скорость роста трещины для одного и того же диапазона интенсивности приложенного напряжения уменьшается с ростом температуры. Это явление обусловлено появлением волокон, соединяющих берега трещины. С точки зрения механизма распространения трещины, при повышении температуры уменьшается энергия движущейся трещины из-за ускорения распространения межфазных границ «волокно–матрица» [18, 20, 23, 24].

Таким образом, в МКМ торможению усталостных трещин способствуют неразрушенные волокна (так называемые «мостики связи»), соединяющие берега трещины. Такие волокна противостоят силам раскрытия трещины и уменьшают значение диапазона интенсивности напряжений в вершине трещины, а также снижают скорость роста усталостной трещины при увеличении ее длины [18, 19, 21–24]. При этом скорость распространения трещины находится на уровне ˂10^-8 мм/цикл [19, 25].

В случае если мостики связи разрушаются, скорость распространения трещины увеличивается, что и приводит к мгновенному катастрофическому разрушению образца. В связи с важностью такого эффекта для эксплуатации ответственных деталей в авиастроении, в зарубежных исследовательских центрах большое внимание уделяется экспериментальному определению и расчету коэффициентов интенсивности напряжений для разных схем приложения напряжений [18–23, 26].

В процессе эксплуатации на МКМ действуют также сдвиговые напряжения. Так, в работах [19, 20, 27] определены коэффициенты интенсивности напряжений, при которых распространение трещины останавливается и происходит мгновенное разрушение образца. Исследование МКМ на основе титанового сплава Ti–6Al–4V, армированного волокнами карбида кремния с объемной долей волокон 35% (объемн.), проводилось при испытаниях на трехточечный изгиб. На образцах для испытаний был сделан надрез глубиной 0,4 мм. Испытания проводились при коэффициентах напряжения 0,1; 0,5 и 0,7 и частоте 4 Гц. Авторами установлено, что в начальный момент приложения нагрузки скорость распространения трещины увеличивается с увеличением длины трещины. Это происходит из-за того, что усталостная трещина должна достигнуть определенной длины, при которой наблюдается перекрытие трещины соединительным волокном, после чего скорость распространения трещины стабилизируется и начинает уменьшаться.

Повышение температуры испытания уменьшает коэффициент интенсивности напряжений, при котором происходит переход между прекращением распространения трещины и мгновенным разрушением, а также увеличивает вероятность разветвления трещины. Разветвление трещины связывают прежде всего с геометрическими размерами образца [18, 27].

Показано, что при комнатной температуре при начальных коэффициентах интенсивности напряжений от 18 до 21 МПа распространение трещины останавливается, а при больших значениях коэффициентов интенсивности напряжений происходит мгновенное разрушение образца. Отмечается, что при начальном коэффициенте интенсивности напряжений ˃21 МПа может происходить разветвление трещины.

При повышенных температурах (300 и 450 °C) прекращение распространения трещины наблюдается при начальных коэффициентах интенсивности напряжений 14 и 12 МПа соответственно, свыше этих значений – разветвление трещины [18]. Уменьшение скорости роста трещины наблюдается с увеличением длины трещины как при испытаниях на растяжение [18, 21, 22], так и при испытаниях на циклический изгиб [19, 20, 23, 26, 27]. При самых низких значениях начального коэффициента интенсивности напряжений распространение трещины останавливается. Распространение трещины зависит от следующих основных факторов: прочности и распределения волокон, количества соединяющих волокон, прочности на сдвиг на границе раздела «волокно–матрица», способе изготовления и температуре испытания [26].

Отмечается, что при повышенных температурах сопротивление росту усталостных трещин меньше, чем при комнатной температуре. К основным причинам этого явления относят следующее:

– пониженное сопротивление росту усталостных трещин матричного сплава, что увеличивает скорость распространения трещин в МКМ [18, 20, 27];

– остаточные напряжения и воздействие окислительной среды на границе раздела «волокно–матрица» [23, 27].

При испытаниях в вакууме при тех же температурах скорость распространения трещины на два порядка меньше из-за отсутствия кислорода, способствующего окислению. При этом на поверхности разрушенных образцов в вакууме (по сравнению с разрушенными образцами на воздухе) наблюдаются вытянувшиеся волокна большей длины. Такие волокна в течение длительного времени перекрывают трещину и снижают скорость роста трещины [27].

Увеличение коэффициента асимметрии с 0,1 до 0,7 уменьшает значение коэффициента интенсивности напряжений, при котором развитие трещины прекращается. При повышенной температуре (~450 °C) коэффициент интенсивности напряжений, при котором прекращается рост усталостной трещины, не обнаружен. Такая закономерность также выявлена в исследованиях и связана с развитием трещины не из надреза [26, 27].

Заключения

Проведенный обзор научно-технической литературы показал основные механизмы распространения трещин в волокнистых МКМ системы Ti–SiC в условиях действия циклических нагрузок. Показано, что распространение усталостной трещины в таких материалах отличается от аналогичного процесса в традиционных сплавах. Прежде всего, это связано со структурными особенностями волокнистых МКМ, с технологией формирования МКМ и степенью совершенства структуры волокон.

На основе представленных в зарубежной научно-технической литературе исследований скорость роста трещины в МКМ системы Ti–SiC меньше, чем в неармированном матричном сплаве. Это связано с основными механизмами, способствующими рассеянию энергии движущейся трещины, что приводит к сопротивлению развитию трещины в МКМ. Как правило, эти механизмы действуют последовательно. По первому механизму, за счет которого происходит рассеивание энергии движущейся трещины, под действием растягивающих напряжений на берегах трещины возникают сдвиговые напряжения между волокном и матричным сплавом, что приводит к разрыву связи на границе раздела «волокно–матрица». Второй механизм связан с вытягиванием волокон из матричного сплава. Так образуются волокна, соединяющие берега трещины. В этом случае энергия движущейся трещины затрачивается на преодоление сил трения по поверхности раздела «волокно–матрица», в результате чего происходит ограниченное раскрытие трещины и уменьшение напряжения на ее вершине.

Рост усталостной трещины также имеет две характерные последовательные стадии. Первая стадия роста усталостной трещины связана с увеличением ее длины и уменьшением скорости ее роста. Завершение этой стадии характеризуется минимальной скоростью роста трещины. Вторая стадия характеризуется единичным или повторяющимся ускорением роста трещины и ее замедлением.

В условиях действия циклических нагрузок рассеивание энергии трещины достигается только при оптимальной прочности связи на границе раздела «волокно–матрица». Скорость роста трещины для одного и того же диапазона интенсивности приложенного напряжения уменьшается с ростом температуры. Уменьшение частоты нагружения при повышенных температурах испытания приводит к уменьшению скорости роста трещины. При этом наблюдается схлопывание берегов трещины у ее вершины.

Показано, что при комнатной температуре при начальных коэффициентах интенсивности напряжений от 18 до 21 МПа√м распространение трещины останавливается, а при коэффициентах интенсивности напряжений ˃21 МПа√м происходит мгновенное разрушение образца. При температурах 350 и 450 °C прекращение распространения трещины наблюдалось при начальных коэффициентах интенсивности напряжений 14 и 12 МПа √м соответственно, свыше этих значений наблюдается разветвление трещины. В вакууме при тех же температурах скорость распространения трещины на два порядка меньше из-за отсутствия кислорода, способствующего окислению.

Увеличение коэффициента асимметрии с 0,1 до 0,7 уменьшает значение коэффициента интенсивности напряжений, при котором развитие трещины прекращается. При повышенной температуре (~450 °C) коэффициент интенсивности напряжений, при котором прекращается рост усталостной трещины, не обнаружен.

Представленные данные будут полезны для практического использования при разработке волокнистых МКМ системы Ti–SiC и проектировании деталей и узлов в авиастроении из материалов такого типа.