Методика экспресс-оценки характеристик сопротивления многоцикловой усталости титановых сплавов

УДК 539.4.015:539.43

С. А. Беженов

МЕТОДИКА ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Приведены результаты исследований титановых сплавов различных классов в условиях многоцикловой усталости. Предложена методика ускоренного определения характеристик сопротивления усталости исследованных материалов.

Введение

Начиная со второй половины прошлого столетия, широкое применение в машиностроении находят титановые сплавы, обладающие рядом преимуществ перед другими материалами: высокой прочностью, твердостью, малым удельным весом, высокой коррозионной стойкостью. Как показали многочисленные исследования, механические свойства титановых сплавов сильно зависят от многих факторов и колеблются в широких пределах. Разброс характеристик сопротивления усталости титановых сплавов в два раза больше, чем для алюминиевых и в три раза больше, чем для углеродистых сталей [1]. Инженерная практика показывает, что подавляющее большинство элементов конструкций испытывает динамические нагрузки, а одним из основных видов разрушения является многоцикловая усталость. Поэтому эффективность применения титановых сплавов, выпускаемых промышленностью, связана с умением оценить их работоспособность в условиях многоцикловой усталости.

Согласно [2] в инженерной практике принято основной характеристикой сопротивления усталости конкретного материала, изготовленного по определенной технологии, и работающего в условиях действия циклических нагрузок, считать предел выносливости образцов или натурных изделий, для определения которого требуются большие затраты времени, материальных и трудовых ресурсов. В этой связи актуальной является задача поиска новых подходов к исследованию процесса усталости, позволяющих разработать простые и надежные методы ускоренной оценки характеристик сопротивления усталости.

В работах [3-5] освещаются основные принципы нового подхода к исследованию процесса усталостного разрушения конструкционных материалов, основанного на предположении существования общего полюса для кривых усталости материала одного химического состава, что позволяет существен© С. А. Беженов, 2008

но упростить методику ускоренного определения характеристик сопротивления усталости металлических материалов.

Целью работы является разработка эффективной методики экспресс-оценки характеристик сопротивления усталостному разрушению сплавов титана.

Материалы и методики исследований

Объектами исследования являлись характеристики сопротивления многоцикловой усталости титановых сплавов разных классов, определяемых как по существующей методике согласно [6], так и по методике, изложенной в работах [3-5].

Основные исследования проводились на образцах из жаропрочного титанового сплава ВТ8 (5,8-7,0А1; 2,8-3,8Мо; 0,2-0,481), относящегося к двухфазным а + р сплавам мартенситного класса, поскольку данный сплав находит наиболее широкое применение в машиностроении. Образцы изготавливались из прутка диаметром 22 мм после двухступенчатого отжига: 920-950 °С и 570-600 °С и испытывались на усталость при консольном изгибе с вращением на машине МУИ-6000. Исследовались образцы как в состоянии поставки (СП), так и после поверхностной пластической деформации стальными шариками (диаметр шарика - 1,5... 1,6 мм, вес шариков - 300 г), колеблющимися с ультразвуковой частотой (УЗУ). Варьированием времени упрочняющей обработки обеспечивалось два режима поверхностного пластического деформирования: в течение 30 секунд (УЗУ-1) и в течение 1 минуты (УЗУ-2).

Проводился также сравнительный анализ результатов испытаний на усталость по разным методикам сплавов титана других классов, полученных другими исследователями: псевдо- а -сплава ОТ4-1 (1,5-2,5А1; 0,7-2,0Мп), псевдо- а -сплава с ин-терметаллидным упрочнением ВТ18 (7,2-8,2А1; 0,2-1,0Мо; 10,0-12,02г; 0,5-1,5№>; 0,05-0,1881), а также а + р сплава переходного класса марки ВТ 22 ( 4,4-5,7А1; 4,0-5,5Мо; 4,0-5,5У; 0,5-1,5Сг; 0,5-

1,5Fe).

Результаты исследований и их обсуждение

На рис. 1, а показаны результаты испытаний на усталость трех групп образцов из сплава ВТ8 с различным техническим состоянием (СП, УЗУ-1, УЗУ-2), где по принятой методике согласно [6] проведены линии регрессии (пунктирные линии) для соответствующих групп образцов. При этом результаты испытаний на усталость аппроксимированы зависимостью

стam  N = const,

в которой показатель степени m в двойных логарифмических координатах представляет собой тангенс угла наклона диаграммы усталости к оси ординат ст a. Видно, что все линии регрессии имеют тенденцию сходимости в одной точке - полюсе. Параметры соответствия линий регрессии результатам испытаний на усталость, а также значения показателя степени m в уравнении (1) и предела выносливости ст_1 на базе 107 циклов приведены в таблице 1 (графа «без полюса»).

Детальный анализ результатов испытаний показал существенное отличие расположения экспериментальных точек в областях мало- и многоцикловой усталости, что, очевидно, связано с изменением механизма усталостного разрушения при переходе из одной области в другую. Согласно [7] такая смена механизма имеет место при достижении критического значения числа циклов Nk, которое разделяет области мало- и многоцикловой усталости (для титана lg Nk = 4,7). Из этого следует, что для более точной оценки работоспособности титанового сплава в условиях многоцикловой усталости

Z 4 5 6 7

U

4 5 6 7

ЧИСЛО циклов пагружешш Ig А'

Рис. 1. Регрессионные диаграммы усталости образцов из сплава ВТ8 с различными видами обработок:

1 - СП; 2 - УЗУ-1; 3 - УЗУ-2; а - без учета полюса; б - с учетом полюса

Таблица 1 - Параметры соответствия линий регрессии результатам усталостных испытаний и значения характеристик сопротивления усталости образцов из различных сплавов титана, полученные по разным методикам

Материал (вид обработки) без полюса с полюсом погрешность Sct , %

r s m ст_1, МПа r s m * ст , МПа

ВТ 8 (СП) - 0,9064 0,01879 10,012 490 - 0,9992 0,00487 5,8158 480 - 2,0

ВТ 8 (УЗУ-1) - 0,9509 0,01097 18,282 630 - 0,9981 0,00504 10,239 625 - 0,8

ВТ8 (УЗУ-2) - 0,9676 0,00909 13,289 600 - 0,9993 0,00316 8,9886 585 - 2,5

ОТ 4-1 - 0,7571 0,01769 11,406 255 - 0,9654 0,04219 3,9268 275 7,8

ВТ18 - 0,7509 0,01220 16,214 360 - 0,9697 0,02741 5,1971 380 5,6

ВТ22 - 0,7246 0,02431 10,665 500 - 0,9113 0,03151 6,8210 505 1,0

Примечание: r - коэффициент корреляции; s - среднеквадратичное отклонение.

следует рассматривать значения результатов испытаний со значениями ^ N > 4,7.

Обращает на себя внимание тот факт, что в области больших значений долговечности имеет место уменьшение плотности распределения результатов испытаний на заданном уровне амплитуды циклических напряжений ст а, что приводит к существенному снижению точности оценки работоспособности исследуемых объектов. В частности, снижается точность определения положения горизонтального участка линии Веллера, а, следовательно, и определения величины предела выносливости ст— в соответствии с [2]. Анализ полученных результатов испытаний показывает, что зависимость

1§ ст а = / ( N) в области ^ N > 4,7 имеет два участка: наклонный и близкий к горизонтальному. Причем точка перелома указанной зависимости с координатами (N *; ст*) находится в диапазоне значений

долговечности около 3 105-4 • 105 циклов нагруже-ния. Построенные таким образом кривые многоцикловой усталости показаны на рис. 1, а сплошными линиями.

Существенным недостатком при осуществлении оценок работоспособности изделий на основе полученных по существующей методике кривых усталости является невысокая точность, особенно при небольших количествах испытаний. Низкие коэффициенты корреляции и высокая чувствительность положения линии регрессии, характеризуемого углом ее наклона к оси напряжений, к отклонениям данных экспериментов практически исключает возможность точных и надежных прогнозов на основании обработки малых выборок. Следует отметить, что методикой определения характеристик сопротивления усталости согласно [8] гарантируется достаточная точность и надежность полученных результатов при больших объемах испытаний (не менее 100), что требует больших затрат времени, материальных и трудовых ресурсов. Такой подход оправдан при решении задачи создания новых металлических сплавов и новых технологий их обработки, обеспечивающих заданные технологические и эксплуатационные характеристики. В производственных условиях приходится оперативно решать задачи эффективного применения конкретных материалов в условиях дефицита информации об их предыстории, а также поиска оптимальных режимов их обработки для заданных условий эксплуатации. Поэтому плодотворным для решения поставленной в работе задачи может быть применение предложенного в работах [35] подхода к проблеме усталости, в котором уравнение (1) рассматривается как трехпараметрическое, где показатель т степени является величиной пере-

менной, обусловленной техническим состоянием материала, а диаграммы усталости одного материала сходятся в одной точке - полюсе. Применение постулата о существовании полюса диаграмм усталости существенно увеличивает коэффициент корреляции для рассматриваемого массива при практически неизменном среднеквадратичном отклонении данных от медианных значений, а также повышает устойчивость значения коэффициента т при небольших количествах испытаний. На основе сравнительного статистического анализа установлены координаты полюса диаграмм усталости сплава ВТ8:

1В ста = 3; N = 3,5.

В таблице 1 (графа «с полюсом») приведены статистические параметры регрессионного анализа данных экспериментов и основные характеристики сопротивления усталости образцов из сплава ВТ8, полученные по предлагаемой методике. Здесь учтены только результаты испытаний в области ^ N > 4,7, из которых исключены точки с явно завышенными значениями долговечности, а также предполагается наличие полюса кривых усталости с координатами ^ ста = 3; ^ N = 3,5. Сравнение характеристик, полученных по двум методикам, показывает, что коэффициенты корреляции по предлагаемой методике значительно выше, а средние квадратичные отклонения ниже, чем рассчитанные по существующей методике. Стабильность наклонного участка кривой усталости для изделий с определенным техническим состоянием позволяет, задав

положение точки перелома координатой N *, без дополнительных трудоемких и дорогостоящих испытаний оценивать напряжение ст , которое с достаточной степенью точности соответствует величине ограниченного предела выносливости ст— . Исходя из данных проведенных экспериментов, можно принять ^ N * = 5,6 (N * « 4 • 105 циклов). Регрессионные линии для выборок данных испытаний согласно предлагаемому подходу (пунктирные линии) и соответственные кривые усталости (сплошные линии) приведены на рис. 1, б.

Для подтверждения правомерности предложенного подхода к оценке характеристик сопротивления многоцикловой усталости титановых сплавов разных классов с предложенных позиций рассмотрены данные испытаний на усталость разных сплавов титана, полученные другими исследователями [9, 10]. На рис. 2 представлены данные испытаний на усталость в условиях растяжения-сжатия сплавов ОТ4-1, ВТ18 и ВТ22. На графике четко просматривается разный характер зависимостей ста = / (^ N) в области мало- и многоцикловой усталости, что подтверждает целесообразность их

раздельного исследования. Кроме того, обращает на себя внимание увеличение разброса данных испытаний в области больших долговечностей с приближением напряжения ст а к напряжению точки

перелома ст*. Следует отметить, что наличие отдельных образцов с явно повышенной долговечностью существенно повышает среднее значение долговечности, что приводит к снижению точности оценки работоспособности исследуемых объектов. Зависимость ^ ста = / ( N) в области многоцикловой усталости правомерно представлять как линию регрессии массива высокой плотности в области ^ N > 4,7, из которого исключены результаты испытаний со значительными отклонениями долговечности в сторону их увеличения. Объекты с повышенной долговечностью представляют интерес для детального изучения собственно самого этого феномена, а также для исследования возможности его распространения на все применяемые в производстве материалы. Результаты анализа данных испытаний на усталость разных сплавов титана, проведенного как по общепринятой, так и по предлагаемой методике также приведены в таблице 1. При этом координаты полюса для кривых усталости этих сплавов были приняты такими же, как и для сплава ВТ8.

Анализ полученных результатов испытаний разных сплавов титана, проведенный по предлагаемой методике с общим полюсом для кривых усталости показывает, что для всех сплавов коэффициенты корреляции существенно возрастают. При этом несколько увеличиваются некоторые значения средних

квадратичных отклонений. Сравнение значений ст*

Рис. 2. Регрессионные диаграммы усталости образцов из сплавов титана:

1 - ОТ 4-1 [9]; 2 - ВТ18 [10]; 3 - ВТ22 [9, 10]

и а-1 различных титановых сплавов показывает, что

напряжение а*, соответствующее точке перелома кривой усталости, с достаточной степенью точности совпадает с величиной ограниченного предела

выносливости а-1. Отмечающиеся при этом незначительные расхождения в значениях а— и а* для разных сплавов могут быть уменьшены в результате уточнения значения абсцисс полюсов для этих сплавов. Для этого следует построить по предлагаемой методике семейство кривых усталости конкретных сплавов в различном их техническом состоянии.

Выводы

Проведенные исследования показали, что существенное повышение эффективности ускоренного определения работоспособности сплава титана в области многоцикловой усталости обеспечивает предлагаемый подход к анализу результатов испытаний на усталость, состоящий в следующем:

- целесообразно анализировать только результаты испытаний, имеющие значения lg N > 4,7, при этом не учитывать отдельные результаты испытаний в области больших долговечностей, имеющие большие отклонения от средних значений;

- правомерно считать, что диаграммы усталости сплава одного химического состава исходят из одной точки - полюса;

- основными характеристиками сопротивления усталости сплава титана целесообразно принять координаты полюса диаграмм усталости, показатель степени m и напряжение, соответствующее точке

перелома кривой усталости (ордината lg а a при lg N * = 5,6).

Перечень ссылок

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

2. ГОСТ 23.207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения

- М.: Изд-во стандартов, 1978. - 48 с.

3. Беженов С. А., Беженов А.И., Коцюба В.Ю., Пахолка С.Н. К вопросу оценки характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов //Вестник двигателестроения. - 2004.

- № 4. - С. 66-71.

4. Беженов С.А. Некоторые аспекты определения характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов // Aims for future of engineering science: VI Int. sci. forum (Hong-Kong, March 23-30). - Proceedings: Gaudeamus, 2005.

- P. 135-140.

5. Беженов С. А., Беженов А.И. К вопросу геометрической и энергетической интерпретации параметров диаграммы многоцикловой усталости // Вестник двигателестроения. - 2006. - № 1. - С. 45-52.

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

7. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 456

с.

8. ГОСТ 25.504-82 Расчеты испытания на прочности. Методы расчета характеристик сопротивления усталости - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 182 с.

9. Вагапов Р. Д. Вероятностно-детерминистская механика усталости. - М.: Наука, 2003. - 254 с.

10. Яковлева Т.Ю. Локальная пластическая деформация и усталость металлов. - К.: Наукова думка, 2003. - 236 с.

Поступила в редакцию 26.05.2008

Наведено результати досл1джень титанових сплавгв ргзних класгв в умовах багато-циклово'1 втоми. Запропоновано методику прискореного визначення характеристик опору втом1 досл1джених матергалгв.

The results of investigation ofthe Ti-alloys ofdifferent classes under high-cycle fatigue conditions have been presented. The method ofrapid determination of the fatigue resistance characteristics of materials investigated has been suggested.