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 [1–8]. 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 деформацию (σ–ε). Один из них выбирают в качестве независимого при проведении испытаний. Независимый параметр задается, контролируется 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 в условиях испытаний на МЦУ при независимой заданной общей деформации никелевого жаропрочного сплава ВЖ175 проведено исследование изменения напряжений в образце, петли упругопластического гистерезиса.

Отметим, что в отечественной научной литературе недостаточно публикаций по исследованию МЦУ в условиях заданной деформации [4, 9]. В то же время за рубежом имеется достаточно много публикаций по МЦУ сплавов на никелевой основе [10–14].

Материалы и методы

В качестве материала для исследования использован жаропрочный никелевый сплав ВЖ175, применяемый для изготовления дисков турбин и других деталей газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ). Сплав ВЖ175 представляет собой дисперсионно-твердеющий сплав на никелевой основе со сложной системой легирования (кобальт, хром, вольфрам, молибден, алюминий, титан и др.) [15–18]. Упрочнение сплава осуществляется интерметаллидной γ′-фазой, а также карбидными (Nb, Тi)С и боридными фазами (типа Ме₃В₂). Для достижения высоких механических свойств разработан многоступенчатый технологический процесс производства [15, 19]. Основные механические свойства сплава ВЖ175 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства сплава ВЖ175

Испытания на МЦУ проведены на сервогидравлических испытательных машинах LFV-100 фирмы Walter+Bai в условиях постоянной общей (упругой и пластической) деформации за цикл нагружения – ε_а. Управление процессом испытания, замер общей деформации и запись параметров (величина напряжений, петли механического гистерезиса) проводили при помощи экстензометра фирмы Epsilon с базой 12,5 мм. Испытывали гладкие цилиндрические образцы с длиной рабочей части 15 мм и ø5 мм, частота нагружения составляла 1 Гц, цикл нагружения – асимметричный (циклическое растяжение), коэффициент асимметрии цикла R_ε=0. Испытания проводили при различных значениях амплитуды заданной деформации (ε_а=0,4–0,6%), при температурах 20 и 650°С, при этом долговечность до разрушения изменялась в интервале 10³÷1,3·10⁴ циклов.

Результаты

Для исследования параметров упругопластического деформирования проведены испытания шести образцов на МЦУ при различных температурах, количестве циклов до разрушения и заданной общей деформации (табл. 2).

Таблица 2

Результаты испытаний сплава ВЖ175 на малоцикловую усталость

В процессе испытаний каждого образца при заданном значении амплитуды деформации записаны петли упругопластического гистерезиса от первого до последнего цикла испытания. Это дало возможность проанализировать изменение петель гистерезиса, а также значений максимальных и минимальных напряжений цикла в ходе испытаний. Установлено, что при заданной знакопостоянной циклической деформации растяжения (R_ε=0) происходит знакопеременное изменение цикла напряжений.

Рис. 1. Влияние температуры испытания на параметры петли гистерезиса в пятом цикле деформирования

при ε_a=0,4% при 20 (а) и 650°С (б) 

Рис. 2. Петли упругопластического гистерезиса при ε_а=0,4% и долговечностях N=0,5N_р:

1 – Т=20°С, N=5100 циклов; 2 – Т=650°С, N=6500 циклов

На рис. 1 и 2 приведены петли упругопластического гистерезиса, полученные в ходе испытаний при ε_a=0,4% и температурах 20 и 650°С. На рис. 1 приведены петли для пятого цикла испытаний. Видно, что при обеих температурах напряжения растяжения существенно (в 3,5–5 раз) превосходят напряжения сжатия. Однако по мере увеличения числа циклов испытания соотношение меняется. На рис. 2 приведены типичные петли механического гистерезиса при числе циклов испытания N=0,5N_р (N_р – число циклов до разрушения). Отметим, что различие по числу циклов испытания N является небольшим. Показано, что при обеих температурах испытания напряжения растяжения больше, чем напряжения сжатия, но различие это значительно меньше, чем при пятом цикле испытания. Значения напряжений растяжения-сжатия в цикле составляют:

Обсуждение и заключения

В целом процесс изменения напряжений при испытаниях на МЦУ в условиях заданной общей деформации можно описать следующим образом. В течение первых 100 циклов испытания (возможно – несколько меньше) осуществляется нестационарный процесс одновременного нарастания напряжений растяжения и сжатия в каждом цикле испытаний. После достижения максимальных значений напряжений растяжения и сжатия (в последнем случае по абсолютной величине) реализуется стационарный режим испытаний либо режим с плавным изменением напряжений растяжения и сжатия. Максимальное, минимальное и среднее значения цикла напряжений существенно не меняются в течение испытаний – до ~0,7N_р. Для всех испытанных образцов среднее напряжение цикла является напряжением растяжения, т. е. имеет положительную величину. Численные значения величин напряжений зависят от величины заданной деформации, температуры испытания и изменяются в интервале от +1400 до -1000 МПа.

Когда число циклов испытания превышает значение 0,7N_р, начинается снижение напряжений растяжения и увеличение по абсолютной величине напряжений сжатия, что продолжается до разрушения. По мере приближения к разрушению образца этот процесс нарастает (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Изменение напряжений в образце в зависимости от числа циклов N при испытаниях

в условиях циклической деформации ε_а=0,4% при температуре 20 (а) и 650°С (б):

1 – максимальные напряжения (растяжение); 2 – минимальные напряжения (сжатие)

Рис. 4. Изменение напряжений в образце в зависимости от числа циклов N при испытаниях

в условиях циклической деформации ε_а=0,6% (а; 20°С) и ε_а=0,5% (б; 650°С):

1 – максимальные напряжения (растяжение); 2 – минимальные напряжения (сжатие)

Эта схема не всегда жестко реализуется в описанном виде. На стабильном участке возможно плавное изменение напряжений растяжения и сжатия (рис. 4). Однако этот участок всегда качественно отличается от двух других тем, что характеризуется более низкой скоростью изменения напряжений в зависимости от числа циклов испытания.

Анализ показал, что на стабильном участке испытаний параметры петли упругопластического гистерезиса (максимальное и минимальное напряжение, ширина петли ε_н) существенно не изменяются. Видно, что при комнатной температуре величина накопленной деформации ε_н больше и составляет 0,03%, тогда как при 650°С ε_н=0,02%. Большого различия по величине угла наклона петли к оси числа циклов не наблюдается, хотя угол наклона несколько больше при комнатной температуре (рис. 2). Циклическое накопление остаточной деформации в процессе испытаний, характеризуемое шириной петли гистерезиса, определяет усталостное повреждение материала. Отметим, что у отечественного сплава ВЖ175 ширина петли гистерезиса приблизительно на порядок меньше, чем у зарубежных никелевых жаропрочных сплавов [10, 13].

Представляет интерес определение влияния температуры испытания (20 и 650°С) на величину и изменение напряжений в образце в процессе испытаний на МЦУ при равных значениях амплитуды деформации ε_а. Образцы испытаны при ε_а=0,4% и прошли до разрушения соизмеримое и достаточно большое число циклов: N=10500 циклов при 20°С и N=13000 циклов при 650°С (табл. 3).

Таблица 3

Влияние температуры испытания на величину напряжений, возникающих в образце,

при амплитуде заданной деформации ε_а=0,4%

В зависимости от температуры испытания напряжения в образцах после прохождения начального участка нагружения (~100 циклов) различаются по размаху и величине. Различие по размаху относительно небольшое: 1610 МПа при 20°С и 1530 МПа при 650°С. Различие максимальных напряжений растяжения и сжатия более значительное, чем различие по размаху. Максимальные напряжения растяжения на 200 МПа выше при комнатной температуре, тогда как максимальные напряжения сжатия выше на 115 МПа при температуре 650°С. Среднее напряжение в обоих случаях положительное и составляет 325 и 115 МПа соответственно.

Установлено, что при заданной знакопостоянной циклической деформации растяжения (R_ε=0) происходит знакопеременное изменение цикла напряжений, при обеих температурах испытания напряжения растяжения несколько превышают напряжения сжатия. Циклическое накопление остаточной деформации в процессе испытаний, характеризуемое шириной петли упругопластического гистерезиса, определяет усталостное повреждение материала. На стабильном участке испытаний параметры петли гистерезиса (максимальное и минимальное напряжение, ширина петли ε_н) существенно не изменяются. Величина накопленной деформации ε_н имеет более высокое значение при комнатной температуре и составляет 0,03%, тогда как при температуре 650°С ε_н=0,02%.

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