Введение

Вопросы сопротивления усталости материалов деталей авиационной техники, связи кривых статического и циклического деформирования особенно остро стоят перед специалистами авиационной промышленности. Эксплуатация новых и существующих изделий проходит в условиях возрастания экстремальных нагрузок при длительном полетном цикле. В настоящее время становится вполне достижимым ресурс деталей газотурбинных двигателей (ГТД) в гигацикловой области усталости [1–3] – даже для тех случаев, где подобная долговечность ранее не предполагалась. Усталостное нагружение для ресурсных изделий оценивают как характерный вид нагрузок в случае статорных корпусных деталей ГТД [4, 5]. Как правило, при эксплуатации имеют место типовые расчетные нагрузки полетного цикла, которые складываются с нагрузками, связанными с воздействием газодинамических сил и конструктивно-технологическими особенностями изделий, и не всегда поддаются учету [6–8]. Модели развития повреждений при циклическом и статическом нагружении служат базовым инструментом для прогнозирования ресурса деталей. Одной из новых областей применения листов из жаропрочных титановых сплавов являются сборочные единицы, входящие в состав выходного устройства ГТД [9]. Успешное применение титановых конструкций можно продемонстрировать на примере такого выходного устройства на пассажирском самолете А380 [10]. Рассматривается применение титановых конструкций выходного устройства для турбовальных вертолетных двигателей [11]. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ проведено комплексное исследование материала листов из жаропрочного титанового сплава марки ВТ41 [12]. В данной работе установлен комплекс механических свойств материала листов толщиной от 0,5 до 4,5 мм в отожженном состоянии, исследованы микроструктура и фазовый состав. Предполагаемая область применения – корпусные детали ГТД и другие изделия авиационной техники. В представленной статье изложены результаты исследований, касающиеся характеристик механических свойств при комнатной температуре, полученных при испытаниях на растяжение, мало- и многоцикловую усталость. При испытаниях на растяжение в упругой области нагружения в материале проявляются процессы релаксации на различных дефектах кристаллической решетки и дефектах, вызванных металлургическим процессом изготовления. Интегральная количественная оценка этих процессов содержится в соответствующей части диаграммы растяжения каждого конкретного образца. При циклическом деформировании в области упругопластического поведения (область текучести диаграммы растяжения) функциональная зависимость между напряжениями и деформациями носит нелинейный характер, при этом кривые нагружения при нагрузке и разгрузке не совпадают, что ведет к образованию петель гистерезиса, свидетельствующих о рассеянии энергии [13, 14]. Применявшаяся методика усталостных испытаний для листов из сплава ВТ41 (испытание при растяжении с асимметрией цикла 0,1 на образцах одного типа для мало- и многоцикловой усталости) позволяет провести анализ полученных результатов именно с этой точки зрения.

Исследования выполнены с использованием оборудования Испытательного Центра НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [15–17] и ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Отметим, что вопросы, связанные с влиянием эксплуатационных факторов, а также отдельных технологических операций изготовления листов, деталей и сборочных единиц на физико-механические свойства листов из титановых сплавов, неизменно находятся в поле зрения специалистов НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [18–20]. Исследования выполнены в рамках реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [21, 22].

Материалы и методы

Исследования проводили на промышленных горячекатаных листах толщиной 2 мм в отожженном состоянии. Промышленный слиток, выплавленный методом тройного вакуумно-дугового переплава, ковали при температурах β-области на промежуточную заготовку (сляб), далее прокатку сляба осуществляли при температурах β-области. После механической обработки полистовую прокатку заготовок проводили в (α + β)-области. Тонкие листы толщиной 2 мм получали методом пакетной прокатки при температурах (α + β)-области. Химический состав материала листов представлен в виде алюминиевого и молибденового эквивалентов (табл. 1). Термическая обработка листов – одноступенчатый отжиг по режиму, оговоренному в отраслевой технологической документации. Состояние поверхности листов – шлифованное и травленное. Механические свойства листов определяли по стандартным методикам – ГОСТ 1497–84 и ГОСТ 25.502–82, угол изгиба – согласно ОСТ 1 90218–76. Все образцы вырезали поперек направления окончательных операций горячей прокатки.

Таблица 1

Химический состав в алюминиевом и молибденовом эквивалентах

для сплава ВТ41 (лист толщиной 2 мм)

Механические свойства листов при комнатной температуре, определенные при приемосдаточных испытаниях на металлургическом предприятии ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», приведены в табл. 2. Исследование механических свойств в условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ проводили на образцах типа 1 по ГОСТ 1497‒84 (табл. 3).

Таблица 2

Результаты приемосдаточных испытаний для угла изгиба и механических свойств

при комнатной температуре для сплава ВТ41 (лист толщиной 2 мм)

Таблица 3

Результаты испытаний при растяжении при комнатной температуре для сплава ВТ41 (лист толщиной 2 мм)

По химическому составу и механическим свойствам материал листов соответствует требованиям действующей нормативной документации на поставку.

Для испытаний на сопротивление усталости использовали образцы (эскиз – на рис. 1), разработанные с учетом требований стандарта ASTM E466. Образцы для испытаний на растяжение при различных скоростях нагружения имели такую же геометрическую форму, как и образцы для испытаний на усталость.

Рис. 1. Образец для испытаний на усталость

Усталостные испытания проводили при асимметричном цикле нагружения R_s = 0,1. Частота нагружения для малоцикловой области (до 2×10⁴ циклов) составила f = 2 Гц, для многоцикловой области – f = 40 Гц. Металлографические исследования проводили на растровом электронном микроскопе.

Результаты и обсуждение

Микроструктура материала листов – преимущественно глобулярная, соответствует 1 типу по 9-типной шкале ГОСТ 26492–85. В материале присутствуют отдельные несфероидизированные частицы первичной α-фазы (рис. 2, а, б). При больших увеличениях различимы частицы силицидов титана (светлые частицы с размерностью порядка долей мкм), а также превращенной пластинчатой α-фазы в β-прослойках (рис. 2, в, г).

Рис. 2. Микроструктуры (растровая электронная микроскопия) листов из сплава ВТ41 в отожженном состоянии (после одноступенчатого отжига)

В табл. 4 приведены результаты испытаний листов на сопротивление усталости.

Таблица 4

Результаты испытаний на усталость листов из сплава ВТ41 толщиной 2 мм

На рис. 3 построена кривая усталости по результатам испытаний образцов при двух частотах нагружения. Закономерность увеличения долговечности при снижении уровня напряжений охватывает две группы разрушенных усталостных образцов – преимущественно в малоцикловой области (межкристаллитное развитие усталостного разрушения) и в многоцикловой (внутрикристаллитное).

Статическое разрушение при однократном растяжении стандартных плоских образцов происходит при напряжениях, уровень которых несколько ниже (табл. 3), чем при повторно-статическом нагружении образцов на усталость (табл. 4). Полученный результат указывает на влияние скорости нагружения на напряжение течения и предел прочности при разрыве. Аналитические решения краевых нелинейных задач теории концентрации напряжений практически отсутствуют. В связи с этим для исследования эффектов перераспределения напряжений и деформаций в неупругой области проведены испытания на растяжение при различных скоростях нагружения (рис. 3).

Рис. 3. Возможный вид кривой усталости (а) и связь с фактической диаграммой растяжения (б) листов из сплава ВТ41 с учетом данных работы [1] (МЦУ – малоцикловая усталость; МнЦУ – многоцикловая усталость)

Испытания проведены с постоянной скоростью упругопластической деформации при «жестком» нагружении. Перемещения регистрировали экстензометром, закрепленным на рабочей части образца. Испытание, проведенное при скорости 0,0001 с^–1, сопоставимое с испытанием по ГОСТ 1497–84 со скоростью 10 МПа/c, указывает на увеличение условного предела текучести и предела прочности при растяжении в среднем на 30 МПа. Это увеличение напряжения связано с локальной концентрацией напряжений в рабочей части образца для испытаний на усталость. Испытание, проведенное при скорости 0,01 с^–1, сопоставимое с испытанием на усталость при частоте 2 Гц, указывает на увеличение условного предела текучести и предела прочности при растяжении в среднем на 100 МПа. Таким образом, уровень нагружения 1150 МПа с долговечностью ~10³ циклов не противоречит экспериментальным результатам при растяжении.

Полученный результат не типичен, например, для поковок из сплава ВТ41 с мелкозернистой микроструктурой после двойного отжига [23]. Предел малоцикловой усталости при «мягком» цикле нагружения находится между значениями кратковременной прочности и условного предела текучести (σ²⁰_0,2= 1015–1115 МПа, σ²⁰_в = 1070–1165 МПа, σ_0,1 = 1040 МПа на базе 10⁴ циклов).

Ошибка при определении характеристик при испытаниях на растяжение исключена, так как данные по результатам приемосдаточных испытаний на металлургическом предприятии и в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ близки по значениям (табл. 2 и 3), а материал листов обладает стабильными характеристиками при однократном растяжении.

В области долговечностей ~10⁶ циклов имеет место смена механизмов разрушения – плосконапряженное состояние материала образца в области переходной долговечности переходит в плоскодеформированное. Переходная долговечность и смена доминирующего механизма разрушения обусловлена уровнем напряжений и однородностью металлического материала. Далее в интервале долговечностей от 10⁶ до 2·10⁷ циклов наблюдается асимптотическое стремление к определенному значению напряжения.

На рис. 3, б также изображена фактическая диаграмма растяжения для отображения связи с получившейся кривой усталости – отчетливо видно, что область многоцикловой усталости лежит в пределах упругих деформаций при напряжениях, не превышающих предел пропорциональности. Сопоставляя предел пропорциональности и предел выносливости на базе 2·10⁷ циклов, получаем, что предел выносливости соответствует значению 0,45σ_пц.

Рассеяние долговечности увеличивается с уменьшением амплитуды напряжений в связи с локализацией деформации по «дефектным» объемам материала и переходом процесса разрушения на новый структурный уровень [24]. В условиях плосконапряженного состояния при повторно-статическом и малоцикловом нагружении неопределенность долговечности сведена к минимуму из-за более интенсивного накопления повреждений. Пластические деформации при этом полностью охватывают рабочую часть образца, а при разрушении около трещин происходят нестационарные процессы циклического пластического деформирования. При этом размеры зон пластических деформаций сопоставимы с размерами трещин нагружаемого материала. С использованием нелинейной аппроксимации результатов испытаний проведено сравнение рассеяния долговечности образцов исследуемого сплава при одноосном нагружении и образцов штамповок из сплава ВТ41 с регламентированной глобулярно-пластинчатой микроструктурой по схеме нагружения при изгибе с вращением (рис. 4).

Рис. 4. Кривые усталости для сплава ВТ41 при изгибе с вращением (а) и одноосном растяжении (б) (P_f – вероятность разрушения)

При максимальном напряжении цикла, равном 500 МПа, в случае одноосного нагружения листовых образцов, область интервала рассеяния составляет от 10⁵ до 10⁸ циклов, в то время как для схемы при изгибе с вращением при максимальном напряжении цикла, равном 490 МПа, область интервала составляет от 10⁴ до 5·10⁸ циклов. Одной из причин наблюдаемых результатов может быть форма и качество поверхности рабочей части образца, так как боковые поверхности подвергались только чистовому фрезерованию (чистота и качество поверхности оценены в работе [25]). Незначительное различие рассеяния долговечности на выбранном уровне нагружения не позволяет судить с достаточной точностью о влиянии геометрической формы образца, состояния поверхности и схемы нагружения на накопление повреждений при многоцикловом нагружении. Однако если сравнивать две схемы нагружения и различную шероховатость по количеству разрушенных и неразрушенных образцов до достижения базовой долговечности 2·10⁷ циклов на рассматриваемом уровне нагружения, то сравнительно бо́льшую долговечность демонстрируют образцы, испытанные по схеме при изгибе с вращением с меньшей шероховатостью поверхности. Существует ряд работ, в которых объяснен совокупный эффект влияния шероховатости и градиента напряжений [24, 26]. Как при осевом нагружении, так и при схеме нагружения изгиб с вращением в режиме многоцикловой усталости, очаг разрушения расположен на поверхности. При развитии повреждений в случае схемы нагружения при изгибе с вращением трещины растут не так быстро по причине уменьшения напряжения к центру сечения рабочей части по отношению к осевому нагружению, в котором градиент напряжений отсутствует. Влияние шероховатости проявляется в конкурирующем росте поверхностных трещин на рабочей части образца. Совокупный эффект шероховатости и градиента напряжений в основном реализуется на участке долговечности от 10⁵ до 10⁶ циклов.

Проведение аналогичных испытаний на листах из сплава ВТ41 в будущих работах позволит провести более детальный анализ особенностей усталостного разрушения во взаимосвязи со степенью дисперсионного упрочнения.

Заключения

При определении средних значений пределов выносливости материала в области малоцикловой и многоцикловой усталости полученные результаты позволили построить общую кривую усталости по схеме одноосного циклического растяжения. При этом полученные результаты недостаточны для анализа медианной кривой в промежуточной области долговечности от 5×10⁴ до 10⁶ циклов, где может быть существенное рассеяние долговечности, что, по-видимому, обусловлено переходным механизмом накопления повреждений в результате «квазиупругих» деформаций.

Для исследования эффектов перераспределения напряжений и деформаций в неупругой области проведены испытания на растяжение при различных скоростях нагружения. По результатам испытаний на растяжение корсетных образцов установлено увеличение напряжения течения и предела прочности при разрыве на 30 МПа ввиду концентрации напряжений в рабочей части. Увеличение скорости нагружения, сопоставимой с испытаниями на усталость, привело к увеличению напряжения течения и предела прочности при разрыве на 100 МПа.

При сравнении двух схем нагружения и различной шероховатости поверхности рабочей части в интервале долговечности от 10⁶ до 2·10⁷ циклов сравнительно бо́льшую долговечность демонстрируют образцы, испытанные по схеме при изгибе с вращением, с меньшей шероховатостью поверхности.