Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2014-0-11-12-12
УДК 669.018.44
В. Ф. Терентьев, М. С. Беляев, М. М. Бакрадзе, М. А. Горбовец, М. А. Гольдберг
РАЗРУШЕНИЕ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ВЖ175 В УСЛОВИЯХ ЖЕСТКОГО МАЛОЦИКЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ

Проведено исследование характера разрушения образцов жаропрочного никелевого сплава ВЖ175, испытанных на малоцикловую усталость (МЦУ) при заданной общей деформации цикла. Рассмотрены особенности разрушения образцов в зависимости от температуры и числа циклов испытания, а также величины заданной общей деформации. Испытания на МЦУ проведены в условиях постоянной общей (упругой и пластической) деформации за цикл нагружения εа. Характер малоциклового усталостного разрушения жаропрочного никелевого сплава ВЖ175 исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа VEGA//SB фирмы TESCAN. При комнатной температуре испытания наблюдается в основном вязкий характер разрушения с наличием типичного бороздчатого механизма распространения трещины. При температуре испытания 650°С наблюдается смешанный механизм разрушения: вязкий и квазихрупкий.

Ключевые слова: малоцикловая усталость, никелевый сплав ВЖ175, исследование поверхности разрушения, вязкий характер разрушения.

Введение

Исследование сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) проводят для конструкционных материалов, подвергающихся в процессе эксплуатации усталостному нагружению. В качестве характеристики прочности материала МЦУ востребована с различными целями – при разработке материала, квалификации серийно производимого сплава, при расчетах деталей конструкции на прочность и ресурс [1–9]. Отличительной чертой испытаний на МЦУ является то, что в процессе испытаний прикладываемые нагрузки превышают предел текучести материала, реализуется циклическое упругопластическое деформирование. Для аналитического описания такого процесса используют два параметра – напряжение и деформация (σ–ε). Один из них выбирают в качестве независимого при проведении испытаний. Независимый параметр задается и поддерживается постоянным (или изменяемым по некоторой программе), а другой изменяется в процессе испытаний сложным образом, особенно в условиях действия высокой температуры. В данной работе проведено исследование характера разрушения образцов жаропрочного никелевого сплава ВЖ175, испытанных при заданной общей деформации цикла. Рассмотрены особенности разрушения образцов в зависимости от температуры и числа циклов испытания, а также величины заданной общей деформации. Отметим, что в отечественной научно-технической литературе недостаточно публикаций по исследованию МЦУ в условиях заданной деформации [4, 10, 11].

 

Материалы и методы

Жаропрочный дисперсионно-твердеющий сплав ВЖ175 нового поколения на  никелевой основе предназначен для изготовления дисков турбин и других деталей ротора газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ). Сплав ВЖ175 имеет сложную систему легирования (кобальт, хром, вольфрам, молибден, алюминий, титан и др.). Он упрочняется интерметаллидными нано- и микрочастицами γ¢-фазы, а также карбидными (Nb, Тi)С и боридными фазами типа Ме3В2 [12–15]. Для достижения высоких механических свойств разработан многоступенчатый технологический процесс производства [16, 17]. Основные механические свойства сплава ВЖ175 приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Механические свойства сплава ВЖ175

Температура

испытания, °С

Предел прочности при растяжении

Предел текучести

Удлинение,

%

МПа

20

650

1600

1530

1190

1080

14

12

 

Испытания на МЦУ проведены на сервогидравлической испытательной машине LFV-100 фирмы Walter+Bai в условиях постоянной общей (упругой и пластической) деформации за цикл нагружения εа. Управление процессом испытания и запись параметров (величина напряжений, петли гистерезиса) проведены при помощи экстензометра фирмы Epsilon с базой 12,5 мм. Испытаны гладкие цилиндрические образцы с длиной рабочей части 15 мм и Ø5 мм, частота составляла 1 Гц, цикл нагружения асимметричный (циклическое растяжение) – Rε=0. Испытания проведены при различных значениях амплитуды заданной деформации (εа=0,4–0,6%), при температурах 20 и 650°С, долговечность до разрушения изменялась в интервале 103–1,3·104 циклов.

Характер малоциклового усталостного разрушения сплава ВЖ175 исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа VEGA//SB фирмы TESCAN.

 

Результаты

Результаты испытаний на МЦУ представлены в табл. 2.

 

Таблица 2

Результаты испытаний сплава ВЖ175 на малоцикловую усталость (МЦУ)

Температура

испытания, °С

Амплитуда

деформации, %

Количество циклов

до разрушения N

20

 

650

 

0,6

0,4

0,5

0,5

0,4

0,4

2483

10251

894

1040

4222

13063

 

Все образцы в результате испытаний были разрушены путем разделения на две части, т. е. поверхность разрушения не подвергалась никакому иному воздействию кроме циклического деформирования. Последнее имеет значение в связи с тем, что стандарт по испытаниям на малоцикловую усталость ASTM E606 предусматривает несколько критериев разрушения. В частности такие, при которых разделения образца на части не происходит.

На рис. 1–3 представлены результаты изучения особенностей поверхностного рельефа, образованного в результате распространения усталостной трещины, в процессе испытаний образцов сплава ВЖ175 на МЦУ при заданной деформации.

 

Рисунок 1. Фрактография усталостного разрушения сплава ВЖ175 при комнатной температуре: а, е, з – амплитуда деформации 0,6%, число циклов до разрушения 2483; б–д, ж – амплитуда деформации 0,4%, число циклов до разрушения 10251

 

Рисунок 2. Фрактография усталостного разрушения сплава ВЖ175 при температуре 650°С и амплитуде нагружения 0,4%: а, б – число циклов до разрушения 4222; вж – число циклов до разрушения 13063

 

 

Рисунок 3. Фрактография усталостного разрушения сплава ВЖ175 при температуре 650°С и амплитуде нагружения 0,5%: аг – число циклов до разрушения 1040; дз – число циклов до разрушения 894

 

 

Обсуждение и заключения

Показано, что механизм малоциклового усталостного разрушения при температуре 20°С мало зависит от амплитуды деформации и связан с довольно грубым вязким характером разрушения, отражающим поликристаллическую структуру материала. По контуру поверхности разрушения видно, что происходит зарождение микротрещины от нескольких очагов (рис. 1, а). В зоне начального распространения усталостной трещины наблюдается развитый вязкий характер разрушения с наличием гребенчатых образований и усталостных бороздок (рис. 1, б). В зоне стабильного роста трещины отчетливо виден бороздчатый рельеф поверхности разрушения (рис. 1, в), а направление распространения усталостной трещины поперек бороздок меняется в зависимости от ориентации отдельных зерен матрицы (рис. 1, ге). Ускоренное развитие усталостных трещин и статический долом связаны с развитым вязким характером разрушения (рис. 1, ж, з).

Испытания на усталость при температуре 650°С и амплитуде деформации εа=0,4% показали, что на поверхности разрушения четко наблюдается основной очаг зарождения усталостной трещины, от которого расходятся гребенчатые образования с наличием усталостных бороздок (рис. 2, ав). При этом режиме нагружения было исследовано два образца: один образец простоял до разрушения 4222 цикла, а другой почти в три раза больше – 13063 цикла. В первом случае зарождение трещины произошло от g¢-фазы, которая располагалась на поверхности образца (рис. 2, б), а во втором – от поверхности хрупкого скола, которая возможно образовалась от разрушения карбида (рис. 2, в). Как и при комнатной температуре при этой амплитуде деформации в зоне начального развития трещины наблюдается вязкий бороздчатый рельеф с усталостными бороздками, вытянутый по направлению распространения усталостной трещины (рис. 2, ге). Видимо, из-за частичного охрупчивания материала при этой температуре испытания вдоль усталостных бороздок наблюдается вторичное растрескивание (рис. 2, е). Ускоренное развитие усталостной трещины связано с вязким характером разрушения (рис. 2, ж), а на поверхности статического долома наблюдаются участки вязкого и квазихрупкого разрушения (рис. 2, з).

При амплитуде деформации εа=0,5% и температуре 650°С (долговечность до разрушения 1040 циклов) так же, как и при εа=0,4%, на поверхности разрушения можно отчетливо выделить зону зарождения усталостной трещины и область ее стабильного развития (рис. 3, а). Вблизи от места зарождения трещины наблюдается вязкий характер разрушения с усталостными бороздками, между которыми наблюдаются микротрещины (рис. 3, б). На стадии стабильного распространения трещины наблюдается специфическая структура в виде вытянутых пластин или плато, между которыми в ряде случаев наблюдаются трещины. Видны также скопления карбидов (рис. 3, в, г). У другого образца, который испытывался при таком же режиме – εа=0,5% и температуре 650°С, но простоял меньшее число циклов (долговечность до разрушения 894 цикла), зарождение и начальное распространение усталостной трещины происходило, по-видимому, от g¢-фазы. При этом поверхность разрушения на начальном участке роста трещины имеет квазихрупкий характер (рис. 3, д, е). На ускоренном участке роста трещины наблюдается в основном вязкий характер разрушения (рис. 3, ж, з).

Из представленных на рис. 1–3 данных по анализу поверхности разрушения образцов из сплава ВЖ175 можно сделать предварительный вывод о том, что при малоцикловом упругопластическом деформировании при комнатной температуре испытания наблюдается в основном вязкий характер разрушения с наличием типичного бороздчатого механизма распространения трещины, при температуре испытания 650°С – смешанный механизм разрушения: вязкий и квазихрупкий.

 

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №13-08-12084.

 


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36–52.
2. Биргер И.А., Балашов Б.Ф., Дульнев Р.А. и др. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение. 1981. 222 с.
3. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
4. Иноземцев А.А., Ратчиев А.М., Нихамкин М.Ш. и др. Малоцикловая усталость и циклическая трещиностойкость никелевого сплава при нагружении, характерном для дисков турбин //Тяжелое машиностроение. 2011. №4. С. 30–33.
5. Schijve J. Fatigue of structures and materials. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 2009. 185 с.
6. Каблов Е.Н., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения //Крылья Родины. 2012. №3–4. С. 34–38.
7. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С., Сидоров В.В. Приоритетные направления развития технологий производства жаропрочных материалов для авиационного двигателестроения //Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2013. №3. С. 47–54.
8. Способ получения изделия из деформируемого жаропрочного никелевого сплава: пат. 2387733 Рос. Федерация; опубл. 31.03.2009.
9. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой (Часть I) //Материаловедение. 1997. №4. С. 32–39.
10. Голубовский Е.Р., Светлов И.Л., Петрушин Н.В., Черкасова С.А., Волков М.Е. Малоцикловая усталость монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов при повышенных температурах //Деформация и разрушение материалов. 2009.
№8. С. 41–48.
11. Беляев М.С., Терентьев В.Ф., Бакрадзе М.М., Горбовец М.А., Гольдберг М.А. Малоцикловая усталость жаропрочного сплава ВЖ175 в условиях упругопластической деформации //Деформация и разрушение материалов. 2014. №7. С. 27–33.
12. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М. и др. Высокотемпературные жаропрочные никелевые сплавы для деталей газотурбинных двигателей //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 52–57.
13. Бакрадзе М.М., Овсепян С.В., Шугаев С.А., Летников М.Н. Влияние режимов закалки на структуру и свойства штамповок дисков из жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД //Труды ВИАМ. 2013. №9. Ст. 01 (viam-works.ru).
14. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М. Особенности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 3–8.
15. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Комплексная инновационная технология изотермической штамповки на воздухе в режиме сверхпластичности дисков из супержаропрочных сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 129–141.
16. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М., Мазалов И.С. Высокотемпературные жаропрочные никелевые сплавы для деталей газотурбинных двигателей //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 52–57.
17. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Литейные жаропрочные никелевые сплавы для перспективных авиационных ГТД //Технология легких сплавов. 2007. №2. С. 6–16.
1. Kablov E.N., Petrushin N.V., Svetlov I.L., Demonis I.M. Nikelevye litejnye zharoprochnye splavy novogo pokolenija [Casting nickel superalloys new generation] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 36–52.
2. Birger I.A., Balashov B.F., Dul'nev R.A. i dr. Konstrukcionnaja prochnost' materialov i detalej gazoturbinnyh dvigatelej [The structural strength of materials and components of gas turbine engines]. M.: Mashinostroenie. 1981. 222 s.
3. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
4. Inozemcev A.A., Ratchiev A.M., Nihamkin M.Sh. i dr. Malociklovaja ustalost' i ciklicheskaja treshhinostojkost' nikelevogo splava pri nagruzhenii, harakternom dlja diskov turbin [Low-cycle fatigue and cyclic fracture toughness of nickel alloy under loading characteristic of turbine disks] //Tjazheloe mashinostroenie. 2011. №4. S. 30–33.
5. Schijve J. Fatigue of structures and materials. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 2009. 185 с.
6. Kablov E.N., Lomberg B.S., Ospennikova O.G. Sozdanie sovremennyh zharoprochnyh materialov i tehnologij ih proizvodstva dlja aviacionnogo dvigatelestroenija [The crea-tion of modern high-temperature materials and manufacturing technologies for aircraft engine] //Kryl'ja Rodiny. 2012. №3–4. S. 34–38.
7. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Lomberg B.S., Sidorov V.V. Prioritetnye napravlenija razvitija tehnologij proizvodstva zharoprochnyh materialov dlja aviacionnogo dvigatelestroenija [Priorities for the development of production technologies, high temperature materials for aircraft engine] //Problemy chernoj metallurgii i materialove-denija. 2013. №3. S. 47–54.
8. Sposob poluchenija izdelija iz deformiruemogo zharoprochnogo nikelevogo splava [A method of manufacturing a deformable heat-resistant nickel alloy]: pat. 2387733 Ros. Federacija; opubl. 31.03.2009.
9. Kablov E.N., Svetlov I.L., Petrushin N.V. Nikelevye zharoprochnye splavy dlja lit'ja lopatok s napravlennoj i monokristallicheskoj strukturoj [Nickel superalloys for blades casting with directional and single-crystal structure] (Chast' I) //Materialovedenie. 1997. №4. S. 32–39.
10. Golubovskij E.R., Svetlov I.L., Petrushin N.V. i dr. Malociklovaja ustalost' monokristallov zharoprochnyh nikelevyh splavov pri povyshennyh temperaturah [Low cycle fa-tigue of single crystals of high-temperature nickel alloys at elevated temperatures] //Deformacija i razrushenie materialov. 2009. №8. S. 41–48.
11. Beljaev M.S., Terent'ev V.F., Bakradze M.M. i dr. Malociklovaja ustalost' zharoprochnogo splava VZh175 v uslovijah uprugoplasticheskoj deformacii [Low-cycle fa-tigue superalloy VZh175 under elastic-plastic deformation] //Deformacija i razrushenie materialov. 2014. №7. S. 27–33.
12. Lomberg B.S., Ovsepjan S.V., Bakradze M.M. i dr. Vysokotemperaturnye zharoprochnye nikelevye splavy dlja detalej gazoturbinnyh dvigatelej [High-temperature heat-resistant nickel alloys for turbine engines parts] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 52–57.
13. Bakradze M.M., Ovsepjan S.V., Shugaev S.A., Letnikov M.N. Vlijanie rezhimov zakalki na strukturu i svojstva shtampovok diskov iz zharoprochnogo nikelevogo splava JeK151-ID [Effect of quenching on the structure and properties of the disk forgings of heat-resistant nickel alloy EK151-ID] //Trudy VIAM. 2013. №9. St. 01 (viam-works.ru).
14. Lomberg B.S., Ovsepjan S.V., Bakradze M.M. Osobennosti legirovanija i termicheskoj obrabotki zharoprochnyh nikelevyh splavov dlja diskov gazoturbinnyh dvigatelej novogo pokolenija [Features alloying and heat treatment of heat-resistant nickel alloys for turbine engines drive of a new generation] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2010. №2. S. 3–8.
15. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Lomberg B.S. Kompleksnaja innovacionnaja tehnologija izotermicheskoj shtampovki na vozduhe v rezhime sverhplastichnosti diskov iz superzharoprochnyh splavov [Integrated innovative technology isothermal forging in air super-plasticity disks from super heat-resistant alloys] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 129–141.
16. Lomberg B.S., Ovsepjan S.V., Bakradze M.M., Mazalov I.S. Vysokotemperaturnye zharoprochnye nikelevye splavy dlja detalej gazoturbinnyh dvigatelej [High-temperature heat-resistant nickel alloys for turbine engines parts] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 52–57.
17. Kablov E.N., Petrushin N.V., Svetlov I.L., Demonis I.M. Litejnye zharoprochnye nikelevye splavy dlja perspektivnyh aviacionnyh GTD [Casting nickel superalloys for advanced gas turbine engines] //Tehnologija legkih splavov. 2007. №2. S. 6–16.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.