Введение

В процессе эксплуатации большинство деталей газотурбинных двигателей, наземных газотурбинных установок и паровых турбин испытывают циклические нагрузки. При этом прикладываемая циклическая нагрузка может иметь различное соотношение минимальных и максимальных значений сжимающих и растягивающих нагрузок – коэффициента асимметрии цикла нагружения (R). Титановые сплавы применяются при изготовлении особо ответственных деталей, в том числе и крупногабаритных. Однако при эксплуатации и испытаниях иногда происходит разрушение данных деталей. Анализ причин разрушения ‒ важнейшая задача, позволяющая применить мероприятия по снижению вероятности подобных разрушений в будущем, что в свою очередь отразится на повышении ресурса и надежности деталей [1–4].

Основным объектом исследований при определении причин разрушения является излом. Формируемая в процессе разрушения поверхность несет в себе информацию об условиях нагружения. Однако в связи с тем, что фрактографический анализ носит сравнительный характер, для однозначной интерпретации результатов исследований необходимо проводить испытания и исследования образцов в лабораторных условиях при заданных условиях нагружения [5, 6].

Дополнительный интерес представляет деформированная структура сплава вблизи поверхности разрушения. Исследования показывают, что данная деформированная область, как и излом, может иметь свои уникальные особенности в зависимости от условий нагружения [7–9].

При эксплуатации детали испытывают циклические нагрузки в широком диапазоне значений коэффициента асимметрии цикла нагружения. Таким образом, оценка влияния коэффициента асимметрии цикла нагружения (вплоть до циклического растяжения с R = 0,9) на свойства материала является важной задачей [10–12].

В связи с тем, что титановый сплав ВТ6 является одним из самых распространенных сплавов, применяемых при производстве крупногабаритных высоконагруженных деталей, выявление фрактографических особенностей и особенностей деформированного слоя вблизи поверхности разрушения на образцах, испытанных с различными коэффициентами асимметрии цикла нагружения, является актуальной и необходимой задачей [13–15].

Материалы и методы

В качестве объекта исследований отобраны образцы из штамповки титанового сплава ВТ6 с бимодальной структурой, соответствующей второму типу по 9-типной шкале для (α + β)-сплавов по ПИ 1.2-785‒2009 (рис. 1). Определено, что предел прочности материала σ_в = 1000 МПа, а предел текучести σ_0,2 = 940 МПа.

Рис. 1. Микроструктура (а ‒ ×500; б ‒ ×2000) штамповки титанового сплава ВТ6 в отожженном состоянии

Из штамповки изготовлены образцы квадратного сечения 10×10 мм длиной 55 мм с боковым надрезом на длинной стороне, выполненным на электроэрозионном станке, глубиной 1 мм и радиусом 0,3 мм (рис. 2).

Рис. 2. Образец для испытаний

Во время испытания образцы подвергали циклическому нагружению по схеме четырехточечного изгиба при определенных значениях коэффициента асимметрии цикла нагрузки R. Эксперименты проводили с использованием резонансной испытательной машины. Частота циклов при нагружении данных образцов в начале испытаний составляла ~100 Гц; за базу испытаний взято количество циклов N = 10⁶.

Испытания проводили при разных значениях R: от симметричного (−1) до циклического растяжения (0,9).

Коэффициент асимметрии цикла определяли как отношение минимального значения изгибающего момента, действующего на образец в цикле, к максимальному:

R=M_min/M_max                                                              (1)

Фрактографические и микроструктурные исследования проводили на растровом электронном микроскопе, исследование области пластической деформации ‒ на микрошлифах, которые ориентированы перпендикулярно поверхности излома на расстоянии 0,5 мм от концентратора напряжений (образец 1 на рис. 3).

Проведен также рентгеноструктурный анализ непосредственно на изломе (образец 2 на рис. 3) и под его поверхностью на расстоянии 5 мм (образец 3 на рис. 3), чтобы выявить особенности изменения структуры в процессе разрушения относительно исходного состояния материала образцов. Рентгеновскую съемку проводили с направления, перпендикулярного плоскости разрушения, поэтому измеренные в этом направлении периоды решетки пересчитаны в величину остаточной макродеформации. Расчет деформации проведен по формуле

                                                           (2)

где а₀ – период решетки в исходном состоянии (образец 3, рис. 3); а_crack ‒ период решетки, измеренный с плоскости разрушения.

Под термином остаточная микро- и макродеформация, определяемая рентгеновским дифракционным методом, понимается как остаточная упругая деформация, приводящая соответственно к уширению и смещению рентгеновской линии. Данные термины связаны с макро- и микронапряжениями (через закон Гука) и являются устоявшимися понятиями в области рентгеноструктурного анализа [16, 17].

Для того чтобы оценить ширину зоны пластической деформации, с использованием рентгеновского дифрактометра проанализировали изменение уширения рентгеновской линии по мере удаления от плоскости разрушения. Измерения выполняли с помощью коллимированного рентгеновского пучка в форме штриха, который увеличен вдоль плоскости излома и максимально сужен в поперечном направлении.

Рис. 3. Схема отбора образцов для исследования зоны пластической деформации методом рентгеноструктурного анализа (серым цветом показана плоскость исследования)

Для устранения геометрического уширения размеров пучка проведена асимметричная съемка при луче, падающем перпендикулярно плоскости образца. Съемку проводили с помощью перемещения счетчика в угловом диапазоне 2q = 73,8–79,8 градусов, в который попадают три линии от плоскостей α-Ti:  Съемку осуществляли с шагом 50 мкм в направлении от поверхности излома вглубь образца с применением прецизионного пятикоординатного столика для образцов.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты исследований

При испытаниях задавали значения размаха изгибающего момента М и значения R. Данные параметры определяли минимальные и максимальные значения изгибающего момента в цикле нагружения (M_min и M_max).

Напряжения σ, действующие в концентраторе, определяли как произведение номинальных напряжений σ_н и теоретического коэффициента концентрации напряжений α_σ:

σ = σ_н∙ α_σ.                                                             (3)

Значения номинальных напряжений определяли исходя из геометрических размеров образца и прикладываемого изгибающего момента по формуле

σ_н = 6M/da²,                                                           (4)

где d – ширина образца; а – высота образца в месте концентратора.

Определение теоретического коэффициента концентрации напряжений α_σ производили исходя из геометрических размеров образца в соответствии с п. 1.4.2. и чертежом 48 приложения 3 к ГОСТ 25.504‒82. Таким образом, коэффициент концентрации α_σ = 3,6.

В ходе испытаний определяли максимальное напряжение цикла σ_max, при котором долговечность до разрушения составила N = 10⁶ циклов по методу «лестницы», приведенному в работе [7]. Следует отметить, что данный метод испытаний не описан в ГОСТ 25.502‒79, а полученные значения применены для выявления общих тенденций.

Начальное амплитудное значение изгибающего момента при циклическом нагружении соответствовало напряжению, которое действует в надрезе и составляет 0,8 от предполагаемого максимального напряжения цикла σ_max при N = 10⁶ циклов для сплава ВТ6 при заданном значении R.

В процессе испытаний все образцы доводились до разрушения. Если образец успешно проходил базу испытаний без разрушения, то размах изгибающего момента в цикле нагружения ΔM увеличивали на 1 Н·м. При испытании каждого из образцов происходило не менее трех повышений ΔM до разрушения. Единообразие проведения испытаний позволяет не учитывать предыдущие этапы нагружения, так как накопление повреждений до процесса разрушения образцов, испытанных при различных значениях R, аналогично.

За величину σ_max принимали максимальное значение напряжений в цикле, при котором образец выдерживал N = 10⁶ циклов при заданном значении коэффициента асимметрии цикла нагружения R.

Если резонансная частота испытательной машины уменьшалась более чем на 0,5 %, образец считался разрушенным при текущих параметрах испытаний. Затем образец доводили до полного разрушения при тех же условиях.

Во время испытания титанового сплава ВТ6 при различных значениях коэффициента асимметрии цикла нагружения ‒ от симметричного цикла (R = −1) до циклического растяжения (R = 0,9) ‒ определены значения σ_max (табл. 1).

Таблица 1

Результаты испытаний на определение максимальных напряжений цикла σ_max,

при котором долговечность до разрушения составила N = 10⁶ циклов,

для титанового сплава ВТ6 при различных значениях коэффициента

асимметрии цикла нагружения

Результаты испытаний показывают, что при изменении значений параметра R от –1 до 0,9 значение амплитуды напряжений Δσ, действующих в концентраторе при определении σ_max, снижается с 640 до 213 МПа. Следует отметить, что определенные в результате расчетов напряжения при R, равном 0,7; 0,8 и 0,9, превышают предел текучести сплава и могут использоваться только в качестве оценочных значений.

На всех испытанных образцах проведены фрактографические исследования. Результаты исследований показали, что на начальном этапе развития усталостных трещин разрушение происходит с формированием фасеток скола (рис. 4, а). По мере развития трещин на поверхностях изломов образцов, испытанных при значениях R от –1 до 0,7, появляются усталостные плато, на поверхности которых формируются усталостные бороздки, а их шаг увеличивается (рис. 4, б, в). На определенном этапе происходит развитие усталостных трещин только с формированием усталостных бороздок, шаг которых растет по мере увеличения длины трещины (рис. 4, б–г). На образцах, испытанных при значениях R, равных 0,8 и 0,9,  по мере развития усталостного разрушения поверхности излома огрубляются, однако смены строения излома с фасеточного рельефа не наблюдается до самого долома (рис. 4, д). Статический долом на всех образцах представлен пластичным мелкоямочным рельефом (рис. 4, е).

Рис. 4. Строение изломов образцов на различных этапах развития усталостной трещины: а – очаговая зона разрушения; б–г – зона усталостного развития трещины при R от –1 до 0,7; д – зона усталостного развития трещины при R 0,8 и 0,9; е – статический долом

На образцах, испытанных с коэффициентом асимметрии цикла R: –1; –0,2; 0,2; 0,6; 07 и 0,8, проведены рентгеноструктурные исследования. Значения параметров решетки и микродеформации кристаллической решетки для α- и β-фаз получены с поверхности излома (образец 2 на рис. 3) и на удалении от излома (образец 3 на рис. 3). Полученные данные позволили рассчитать изменение микродеформаций и параметров решеток α- и β-фаз в зоне разрушения по отношению к исходному материалу (табл. 2 и 3).

Исследования показали, что в зоне разрушения формируются сжимающие остаточные макродеформации.

Нагружение при R, равном –1 и –0,2, практически не оказывает влияния на формирование остаточных макро- и микродеформаций решетки по сравнению с испытаниями при R, равном 0,2; 0,6 и 0,8.

Таблица 2

Результаты рентгеноструктурного анализа α-фазы при значениях

коэффициента асимметрии цикла от –1 до 0,8

Таблица 3

Результаты рентгеноструктурного анализа β-фазы при значениях

коэффициента асимметрии цикла от –1 до 0,8

На образце с R = 0,8 проведен анализ глубины деформированного слоя (образец 1 на рис. 3). Выбран шаг сканирования 50 мкм, который позволяет не выявлять зону пластической деформации в поперечном направлении относительно поверхности разрушения.

Обсуждение и заключения

Анализ результатов испытаний показывает, что при небольших значениях R (от –1 до –0,2) значения максимальных напряжений в цикле нагружения изменяются незначительно ‒ от 320 до 356 МПа (табл. 1, рис. 5). Это свидетельствует о том, что при наличии в цикле нагружения сжимающих напряжений существует пороговое значение максимальных напряжений в цикле, которое практически не зависит от асимметрии и амплитуды. При переходе к отнулевому циклу и нагружению в области циклического растяжения происходит повышение максимальных напряжений в цикле. При R > 0,7 расчетные напряжения превышают предел текучести, поэтому принято, что при значениях R от 0,7 до 1 действующие напряжения меняются от предела текучести σ_0,2 = 940 МПа до предела прочности σ_в = 1000 МПа. При R = 1 реализуется однократное статическое нагружение.

Результаты рентгеноструктурного анализа показывают, что действие растягивающих напряжений при нагружении приводит к формированию сжимающих остаточных макродеформаций в зоне разрушения. Зависимость остаточных макродеформаций от коэффициента асимметрии цикла имеет форму сигмоиды (рис. 6).

Рис. 5. Значения максимальных и минимальных напряжений, действующих в цикле нагружения при различных значениях R при определении долговечности образцов из титанового сплава ВТ6 (■, ■ – рассчитанные по ГОСТ 25.504‒82 без учета пластической деформации; ─ ─, ─ ─ c учетом пластической деформации)

Рис. 6. Макродеформация на поверхности излома при различных значениях R

При  низких значениях R(–1 и –0,2) уровень остаточных макро- и микродеформаций решеток α- и β-фаз несущественен (табл. 2 и 3, рис. 6). При повышении значений R от –0,2 до 0,6 уровень остаточных макро- и микродеформаций растет. Это, по-видимому, объясняется увеличением размера зоны пластической деформации в вершине растущей трещины вследствие действия в цикле нагружения растягивающих напряжений более высокого уровня. При значениях R, равных 0,6; 0,7 и 0,8, уровень остаточных макродеформаций практически не изменяется. Таким образом, зависимость остаточной макродеформации от коэффициента асимметрии цикла схожа с изменением значений максимальных напряжений в цикле нагружения, представленных на рис. 5.

Анализ результатов фрактографических исследований показывает, что изменение значений R от–1 до 0,7 не приводит к существенному изменению строения излома в зоне усталостного развития трещины, которое представлено бороздчатым микрорельефом. При коэффициентах асимметрии цикла 0,8 и 0,9 усталостное разрушение сопровождается образованием фасеток скола.

Подобное разрушение с формированием фасеток скола наблюдается при усталостном нагружении титановых сплавов с выдержкой при максимальной нагрузке (dwell-эфект) [18–20] и в условиях холодной ползучести при напряжениях, близких к пределу текучести сплава [21, 22].

При значениях коэффициента асимметрии цикла нагружения, близких к 1, происходят статическое нагружение до высокого уровня и наложение циклического нагружения амплитуды низкого уровня. Таким образом, можно предположить, что значительный вклад в процесс пластической деформации при разрушении в процессе циклического нагружения при высоком значении R вносит механизм холодной ползучести.

В ряде работ [23, 24] показано, что в процессе низкотемпературной ползучести в материале происходит перераспределение напряжений между «мягкими» и «твердыми» зернами. Это приводит к накоплению дислокаций в α-фазе и, как следствие, к хрупкому разрушению.

Благодарности

Авторы выражают благодарность сотруднику НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, кандидату технических наук О.С. Кашапову за важные замечания и рекомендации, которые использованы при написании данной статьи.