Введение

Успешное развитие отечественного авиастроения предполагает разработку и внедрение новых материалов и технологий в производственный процесс [1–6]. При внедрении новых материалов необходимо выпустить специальный комплект документации, фиксирующей характеристики материала, т. е. дать квалификацию материала. При общей квалификации материала выпускают паспорт, характеризующий уровни свойств выпускаемого материала, технические условия и технологическую инструкцию, определяющие процесс изготовления материала в серийном производстве. При специальной квалификации материала проводят серию испытаний, направленных на получение расчетных характеристик материала с учетом условий эксплуатации, в том числе коррозионные испытания. Определение механических свойств материалов при статическом действии нагрузки является наиболее распространенным способом испытаний при квалификации материалов. В частности, номенклатура прочностных характеристик металлических материалов, необходимых для паспортизации и квалификации основных деталей авиадвигателя, включает следующие характеристики: упругости и кратковременной прочности при растяжении, длительной прочности и ползучести при растяжении, малоцикловой (МЦУ) и многоцикловой усталости (МнЦУ), а также трещиностойкости при малоцикловом нагружении (СРТУ). Все эти характеристики определяются в соответствии со стандартами – отечественными (ГОСТ и ОСТ), зарубежными (ASTM, DIN и BS) и международными (ISO).

В настоящее время уровень свойств материалов, используемых в авиастроении, резко возрос и в связи с этим совершенствование экспериментальной техники и использование современных испытательных машин при квалификации материалов приобретает особую актуальность [7–10]. Одним из мировых лидеров по выпуску испытательного оборудования является фирма Zwick/Roell (Германия).

Испытательные машины серии KAPPA (DS и SS) изготовлены в соответствии с требованиями современных стандартов на методы механических испытаний. На этих машинах определяются характеристики кратковременной и длительной прочности, ползучести.

В данной работе представлены результаты определения предела прочности при растяжении на машинах фирмы Zwick/Roell серии KAPPA на примере титанового сплава ВТ41. Титановый сплав ВТ41 рекомендуется для изготовления деталей компрессора высокого давления.

Материалы и методы

В лаборатории прочности и надежности материалов авиационных двигателей и силовых энергетических установок ВИАМ имеются универсальные испытательные машины типа KAPPA 050 DS и KAPPA 050 SS, предназначенные для проведения статических испытаний образцов из металлов и сплавов на растяжение при комнатной и повышенных температурах в интервале температур 300–1150°С (см. рисунок). Максимальная нагрузка при испытании составляет 50 кН. Технические характеристики машины представлены в табл. 1. Конструктивные отличия испытательных машин состоят в том, что машина типа KAPPA 050 DS имеет верхнюю подвижную траверсу, а машина типа KAPPA 050 SS – нижнюю подвижную траверсу.

Универсальные испытательные машины типа KAPPA 050 DS (а) и KAPPA 050 SS (б) для проведения статических испытаний

Кроме того, в машинах этого класса предусмотрены два навесных измерителя деформации (экстензометры): продольной и поперечной. Измерители деформации представляют собой датчики с керамическими стержнями, которые в процессе проведения испытаний крепятся непосредственно на образец, что позволяет замерять одновременно на одном образце продольную и поперечную деформации как при комнатной, так и при повышенных температурах. Одновременный замер деформации в поперечном и продольном направлениях на одном образце позволяет определить коэффициент Пуассона, который представляет собой отношение этих величин. Данные машины также оснащены разъемной электропечью типа НТО-34, что позволяет проводить испытания при температурах до 1150°С, и приборной стойкой с управляющим компьютером.

Таблица 1

Технические характеристики машины типа KAPPA 050

Предел прочности при растяжении определяли в соответствии с требованиями отечественных и зарубежных стандартов ГОСТ Р 1497, ГОСТ Р9651, ASTM Е-8, ASTM Е-21 при температурах 20, 500, 550, 600 и 650°С.  Расчетные значения предела прочности материала определяли на основе статистической обработки данных, полученных по результатам стандартных испытаний. В качестве расчетных характеристик использовали средние значения.

Результаты и обсуждение

Известно, что характеристики прочности материалов имеют статистический характер вследствие микро- и макронеоднородности материала образца и методических особенностей эксперимента, поэтому испытания при растяжении неизбежно приводят к рассеянию результатов.

Для определения значений характеристик конструкционной прочности при статистической обработке экспериментальных данных принимается гипотеза, что результаты механических испытаний образцов из металлических материалов (полуфабрикатов) распределены по нормальному (или логарифмически нормальному – логнормальному) закону – так называемому распределению Гаусса.

Характеристики, полученные при растяжении (в том числе предел прочности), подчиняются нормальному закону распределения. Закон распределения Гаусса характеризуется двумя параметрами распределения – средним значением (математическим ожиданием) X_ср и дисперсией D. Для выборки результатов испытаний ограниченного объема, которые используются в инженерной практике, вычисляют выборочные оценки среднего значения X_сри выборочные несмещенные оценки дисперсии D:

;

,

где N_p – объем выборки экспериментальных данных.

В инженерных расчетах также определяют среднеквадратическое отклонение (СКО):

.

Прочностные характеристики материалов должны определяться на основании достаточного количества испытаний, позволяющего установить статистически обоснованные расчетные значения. Для большинства расчетных характеристик конструкционной прочности основных деталей авиационного газотурбинного двигателя рекомендуется использовать значение квантиля распределения Гаусса, равное 3. Для большинства расчетных характеристик конструкционной прочности деталей, не отнесенных к категории основных деталей авиационного газотурбинного двигателя, приемлемым значением является 2.

Результаты испытаний образцов из титанового сплава ВТ41 при различных температурах представлены в табл. 2.

Таблица 2

Статистическая обработка значений предела прочности титанового сплава ВТ41

при комнатной и повышенных температурах

Испытания, проведенные на машинах фирмы Zwick/Roell типа KAPPA DS и KAPPA SS, показали, что разброс экспериментальных значений предела прочности титанового сплава ВТ41 при различных температурах незначителен: 6,5–15,8 МПа, что составляет 0,9–1,4%.

Заключение

Как показали результаты механических испытаний образцов из титанового сплава ВТ41, проведенные на машинах фирмы Zwick/Roell серии KAPPA (DS и SS), полученные значения предела прочности при растяжении характеризуются небольшим разбросом экспериментальных значений, что составляет 0,9–1,4%.

Благодарности

Авторы работы выражают искреннюю признательность инженеру С.В. Гудкову за техническую поддержку при обработке результатов.