Оценка влияния пескоструйной обработки на работоспособность сплава ВТ8 при циклических нагрузках

УДК 669.14:539.4.015

В. Ю. Коцюба, С. Н. Пахолка, А. И. Беженов

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПЕСКОСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СПЛАВА ВТ8 ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

Приводятся результаты испытаний на усталость сплава ВТ8 после обдувки корундом разной зернистости на разную глубину. Показано влияние различных факторов на характеристики сопротивления усталости. Предложено предельное состояние исследуемого материала устанавливать по кинетическим диаграммам в зависимости от заданных условий его эксплуатации.

Введение

В последнее время широкое применение в машиностроении находят титановые сплавы, обладающие рядом преимуществ перед другими конструкционными материалами: высокой прочностью, твердостью, малым удельным весом, высокой коррозионной стойкостью [1]. Особенно широкое применение в изготовлении деталей машин, работающих при температурах до 450 °С, нашел жаропрочный титановый сплав ВТ8, из которого изготавливают лопатки и диски компрессоров газотурбинных двигателей, работающих в условиях действия циклических нагрузок и абразивного воздействия потока воздуха, особенно при эксплуатации их в условиях пустынь. Поэтому актуальным является вопрос исследования работоспособности при разном состоянии поверхностного слоя титановых сплавов в условиях многоцикловой усталости.

Многочисленные исследования последних десятилетий показали специфическое поведение поверхностного слоя конструкционного материала в процессе его циклического нагружения, которое оказывает определяющее влияние на процессы усталости в нем [2]. Однако проведенные к настоящему времени исследования, широкий обзор которых представлен в [3, 4], не дают достаточно точных сведений о закономерностях влияния состояния поверхностного слоя конструкционного материала на кинетику его поведения при различных способах его макро- и микродеформирования. Особенно актуальными являются вопросы исследования влияния состояния поверхностного слоя материалов ответственных деталей машин на их работоспособность в условиях действия циклических нагрузок.

Методики исследований

В работе исследовались характеристики сопротивления многоцикловой усталости образцов после различных режимов пескоструйной обработки титанового сплава ВТ 8 системы Т1-Л1-Мо-81, который от© В. Ю. Коцюба, С. Н. Пахолка, А. И. Беженов, 2008

носится к двухфазным а + р сплавам мартенситно-го класса.

Геометрия образцов с диаметром рабочей части 7,5 мм соответствовала типу 1 образцов для испытания на усталость согласно [5]. Изготавливались образцы из прутка диаметром 22 мм после двухступенчатого отжига: 920...950 °С и 570...600 °С и испытывались на усталость в состоянии поставки (СП), после пескоструйной обработки корундом различной зернистости (12 и 25), а также комбинированного воздействия крупнозернистым, а затем мелкозернистым корундом.

В настоящее время считается общепринятым, что процесс усталостного разрушения конструкционных материалов делится на два периода: период зарождения и распространения усталостных трещин. Период зарождения усталостных трещин разными исследователями делится на разные стадии, в которых рассматривается действие определенных механизмов накопления повреждений и которые заканчиваются достижением необратимых повреждений (линии Френча). Процесс катастрофического усталостного разрушения, согласно [6], описывается кривыми усталости (линиями Веллера):

aam  N = C = const,

где aa - приложенное напряжение, N - число циклов разрушения, m и C - постоянные коэффициенты. Согласно [7] основной характеристикой сопротивления усталости является предел выносливости a-i. Однако, многочисленные исследования работоспособности конструкционных материалов во второй половине прошлого столетия показали, что

определение a-1 необходимо, но недостаточно, так как предел выносливости определяет безопасный уровень напряжений при циклическом деформировании, но не определяет кинетику разрушения мате-

риала.

С тех пор как П. Пэрис и Ф. Эрдоган [8] предложили знаменитую степенную зависимость скорости роста усталостной трещины dl|dN от размаха коэффициента интенсивности напряжения (КИН) за цикл АК , результаты эксперимента по исследованию развития усталостной трещины принято представлять в виде графика зависимости dl|dN = / (АК), который называют кинетической диаграммой усталостного нагружения или кинетической кривой усталости. По кинетическим диаграммам усталости определяют такой важный параметр работоспособности материала в условиях циклического нагружения как его трещиностойкость. В работе размах КИН определялся по формуле

АК = у-ст а-4П1,

где ста - амплитуда приложенного напряжения, МПа; I - длина трещины, м; у - коэффициент, учитывающий размер образца. Длина трещины определялась по методу податливости образца, который заключается в использовании зависимости величины прогиба образца от длины усталостной трещины в нем. Коэффициент у определялся по методике, изложенной в работе [9].

Результаты испытаний и их обсуждение

На рис. 1 приведены кривые усталости при консольном изгибе с вращением образцов из сплава ВТ8 после обдувки корундом различной зернистости на глубину 0,05 мм. Видно, что обдувка корундом повышает предел выносливости сплава. При этом определяющим фактором повышения сопротивления усталости сплава является величина зерна абразива: более мелкое зерно обеспечивает более высокий предел выносливости сплава.

На рис. 2 показаны результаты испытаний на усталость образцов из сплава ВТ8 после обдувки

3 „ 2,90 -

2.К5 -

£ Q.

s = 2.80 -

2.75

4 5 6 7

ЧИСЛО циклов погружения lg N

Рис. 1. Результаты испытаний на усталость образцов из сплава ВТ8 в состоянии поставки (1 - СП) и после обдувки корундом различной зернистости: 2 - К-25; 3 - К-12; 4 - К-25-12

корундом на различную глубину, из которых видно, что абразивный износ поверхности образцов в пределах 0,1 мм не оказывает существенного влияния на предел выносливости. Более детальную картину кинетики разрушения образцов после их абразивного износа на разную глубину показывают кинетические диаграммы усталости, приведенные на рис. 3. При этом четко выделяются три основные стадии усталостного разрушения: стадия припорогового роста усталостной трещины в интервале АК < АК о, стадия стабильного роста трещины (участок кривой Пэриса) в интервале АК 0 < АК < АК1 и стадия катастрофического роста трещины в интервале АК >АК1.

Видно, что с увеличением абразивного износа увеличиваются скорости распространения трещины, однако границы начала участка Пэриса диаграмм несколько смещаются вправо, что свидетельствует о повышении трещиностойкости образцов после

Рис. 2. Результаты испытаний на усталость образцов из сплава ВТ8 после обдувки корундом на различную глубину t: 1 - t = 0,05 мм; 2 - t = 0,1 мм

lg diVdN

2,5

S 2,0

В. £

1,5

2f jy**^

~ V i

/ \лк(, l! 1 АК, 1 1 1

1,1

1.3

1.5

hlàK

размах КИН. M Нам

w

Рис. 3. Кинетические диаграммы образцов из сплава ВТ8 в состоянии поставки (1 - СП) и после обдувки корундом на различную глубину t: 2 - t = 0,05 мм; 3 - t = 0,1 мм

абразивного износа. Особенно выгодно отличается кривая 2, характеризующая кинетику разрушения образца после абразивного износа на глубину 0,05 мм: у нее обе границы участка Пэриса сдвинуты вправо, а участок катастрофического роста трещины характеризуется меньшими скоростями, чем у других образцов.

В работе [10] отмечается, что в связи с развитием методов и средств обнаружения и измерения развивающихся трещин в элементах конструкций представляется целесообразным дать оценку несущей способности в зависимости от допустимой стадии разрушения. Такая оценка должна основываться на закономерностях развития трещины при циклическом нагружении, установленных методами механики разрушения при рассмотрении предельных состояний, соответствующих росту трещин до критических размеров.

В свете этого положения целесообразно дать оценку несущей способности сплава ВТ8 как авиационного материала в зависимости от установленных в работе стадий разрушения. Рассматривая предельные состояния, соответствующие росту трещин до критических размеров ¡0 и 11, определяемых значениями АК0 и АК1 , можно отметить, что стадия ускоренного процесса разрушения, характеризуемая большими длинами макротрещин I > ¡1 > 1 мм , не только не может быть допущена к реализации в эксплуатационных условиях авиационных газотурбинных двигателей, но также не может быть принята в расчет как резерв работоспособности такого материала. Стадия развития макротрещин до критического размера ¡1, очевидно, также не может допускаться к реализации в эксплуатационных условиях ГТД, особенно на ответственных деталях типа рабочих лопаток, но она уже может приниматься в расчет как резерв работоспособности материала, характеризуя его живучесть. Таким образом, предельное состояние сплава ВТ8, применяемого для изготовления деталей авиационных двигателей, определяется значением АК 0 , которому соответствует допустимая длина трещины ¡0 , определяемая из формулы (2).

Выводы

Проведенные исследования показали следующее:

1. Обдувка сплава ВТ8 корундом повышает его характеристики сопротивления усталости. При этом основными факторами, определяющими сопротивление усталости, является полученная шероховатость поверхности и степень наклепа.

2. Для определения работоспособности сплава ВТ8 построение кривых усталости необходимо, но не достаточно. Важную информацию о кинетике разрушения сплава несут кинетические диаграммы усталости, позволяющие установить предельное состояние материала в заданных условиях его эксплуатации.

Перечень ссылок

1. Титановые сплавы в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1977. - 248 с.

2. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов - М.: Наука, 1983. - 280 с.

3. Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного наклепа /Под ред. Кудрявцева И.В. - М.: Машиностроение, 1965. - 211 с.

4. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Притченко В.Ф. Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД. - К.: Манускрипт, 1993. - 332 с.

5. ГОСТ 25.502-79 Методы механических испытаний металлов. Методы испытания на усталость -М.: Изд-во стандартов, 1980. - 32 с.

6. ГОСТ 25.507-85 Методы испытания на усталость при эксплуатационных режимах нагружения -М.: Изд-во стандартов, 1985. - 32 с.

7. ГОСТ 23.207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения - М.: Изд-во стандартов, 1978. - 48 с.

8. Парис П., Эрдоган Ф. Критический анализ законов распространения трещин //Техническая механика: Труды Американского общества инженеров-механиков. - Серия Д. - Т. 85, 1963. -№ 4. - С. 60-68.

9. Маслов Л. И., Беженов А. И. Термоактивационный анализ процесса усталостного разрушения / Циклическая вязкость разрушения металлов и сплавов. - М.: Наука, 1981. - С. 71-79.

10. Серенсен С.М., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. - М.: Машиностроение, 1975. -

488 с.

Наведено результаты випробувань на втому сплаву ВТ8 тсМвбдуштпяерщданкдомр13100Ж2008 зернистостi на pi-зну глибину. Показано вплив pi-зних факторiв на характеристики опору втомi. Запропоновано граничний стан до^джуваного матеpiалу встановлювати за юне-тичними дiагpамами у залежностi вiд заданих умов його експлуатацИ.

The results of testing the Ti-based alloy after various abrasive blasting on the different depth have been presented. The influence of different factors on the fatigue resistance characteristics has been shown. It has been suggested to establish the breaking condition of the material investigated by using the kinetic diagrams according to the specific service conditions.