Экспериментальное исследование влияния технологических остаточных напряжений на циклическую долговечность никелевого сплава

Показанный на рис. 1 механизм теплового расширения объясняет увеличенный разброс диаметров отверстий в разных слоях, обработанных сверлом типа 00. Окончательный диаметр отверстия образует вспомогательная режущая кромка сверла (ленточка). У сверла типа 01 расстояние между поперечной кромкой, где температура при сверлении достигает максимума, и началом ленточки, которая образует окончательный размер отверстия, практически в два раза больше, чем у сверла типа 00. Таким образом, для сверла типа 01 обрабатываемый материал в зоне ленточки подвергается меньшему температурному воздействию, следовательно увеличение диаметра за счет локального теплового расширения металла у стенок отверстия проявляется в меньшей степени. Также стоит отметить, что длина режущей кромки сверла типа 01 (см. рис. 7) больше толщины титановой части исследуемого пакета. Когда ленточка вступает в работу, поперечная кромка уже не работает, а значит, и источника интенсивного нагрева нет.

По результатам испытаний можно дать несколько

рекомендаций по повышению качества отверстий в пакетах состава титановый сплав - ПКМ:

- предпочтительно использовать параболическую заточку режущей кромки, что обеспечивает наилучший баланс стойкости, качества и производительности;

- удлиненная параболическая заточка типа 01 (см. рис. 7), при прочих равных условиях обеспечивает получение отверстий на 20-30% точнее;

- свёрла, у которых длина режущей кромки больше толщины титановой части пакета, дополнительно повышают точность отверстий.

Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) в рамках комплексного проекта «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета», шифр 2012-218-03-120.

Библиографический список

1. Штучный Б.П. Обработка резанием пластмасс. М.: Машиностроение, 1974. 144 с.

2. Степанов А.А. Некоторые вопросы механики резания высокопрочных композиционных материалов // Перспективы развития резания конструкционных материалов. М.: ЦН НТО машпрома, 1980. С. 254-255.

3. Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. Л.: Машиностроение, 1987. 176 с.

4. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы: справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше [и др.]; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990. 688 с.

УДК 620.178.322.2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА

© Е.Ю. Матвеева1, О.Н. Мерзлякова2

ОАО «Авиадвигатель»,

614990, Россия, г. Пермь, ГСП, Комсомольский проспект, 93.

Приведены результаты экспериментального исследования влияния технологических остаточных напряжений на малоцикловую усталость (МЦУ) образцов из никелевого сплава при температуре 20°С. Получены численные значения коэффициентов регрессии кривой МЦУ по средним и минимальным значениям числа циклов до разрушения. Установлено, что технологические остаточные напряжения оказывают большее влияние на циклическую долговечность при снижении размаха деформации в цикле. Ил. 2. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: никелевый сплав; технологические остаточные напряжения; образцы; МЦУ.

EXPERIMENTAL RESEARCH OF TECHNOLOGICAL RESIDUAL STRESS EFFECT ON NICKEL ALLOY CYCLIC DURABILITY

E.Yu. Matveeva, O.N. Merzlyakova

«Aviadvigatel» JSC,

93 Komsomolsky pr., Perm, Official Municipal Post, 614990, Russia.

The article presents the results of an experimental research of the influence of technological residual stresses on nickel alloy LCF samples at the temperature of 20°C. The numerical values of LCF regression curve coefficients by average

1Матвеева Елена Юрьевна, начальник испытательной лаборатории прочности материалов и деталей авиационных двигателей, тел.: (342) 2409786, доб. 31008, e-mail: matveeva-ey@avid.ru

Matveeva Elena, Head of Aero-Engine Components and Materials Structural Testing Laboratory, tel.: (342) 2409786, extension 31008, e-mail: matveeva-ey@avid.ru

2Мерзлякова Ольга Николаевна, инженер испытательной лаборатории прочности материалов и деталей авиационных двигателей, тел.: (342) 2409786, доб. 31008, e-mail: merzlyakova@avid.ru

Merzlyakova Olga, Engineer of Aero-Engine Components and Materials Structural Testing Laboratory, tel.: (342) 24097-86, extension 31008, e-mail: merzlyakova@avid.ru

and minimum values of the number of cycles before destruction are received. Technological residual stresses are determined to have a greater effect on the cyclic durability under deformation amplitude reduction in a cycle. 2 figures. 4 sources.

Key words: nickel alloy; technological residual stresses; samples; low-cycle fatigue (LCF).

Технологические остаточные напряжения (ТОН), формирующиеся в процессе изготовления изделия, могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на эксплуатационные характеристики машин и конструкций. При благоприятном распределении остаточных напряжений возрастают прочность, работоспособность и долговечность деталей. Отрицательное влияние ТОН связывают с охрупчиванием, изменением геометрических размеров элементов конструкций (вследствие релаксации ОН), коррозией металлов. В то же время, прочность и долговечность изделий зависят от величины распределения напряжений от внешних нагрузок, характера нагружения и механических свойств материала детали. Одним из

и качество поверхности представлены на рис.1.

Остаточные напряжения определены рентгено-структурным методом в рабочей зоне образцов вдоль их оси. Полученные результаты свидетельствуют о наличии в поверхностном слое образцов сжимающих остаточных напряжений разных уровней. Образцы разделены на три группы: среднее значение абсолютной величины ОН второй группы больше среднего значения абсолютной величины ОН первой на 25,57% и меньше на 26,08% аналогичного параметра третьей

группы: U

!гг

< и

IIг1

< и

III г1\

Общее количество об-

разцов - 29 шт., из них в первой группе 12 шт., во второй и третьей - 10 шт. и 7 шт. соответственно. Испытания на МЦУ образцов выполнены в аккредитован-

Рис.1. Внешний вид образца и качество цилиндрической поверхности в рабочей зоне, увеличение 1.3 ,8

основных повреждающих факторов деталей машин является цикличность приложения внешних нагрузок. Способность конструкционных материалов сопротивляться подобным нагрузкам называется выносливостью. Влияние остаточных напряжений на выносливость зависит от механических свойств материала и характера напряженного состояния. При значительных сжимающих напряжениях в поверхностном слое увеличение усталостной прочности проявляется в большей степени для менее пластичных материалов и при концентрации напряжений [1].

В работе рассмотрено влияние технологических остаточных напряжений на циклическую долговечность на примере никелевого сплава. Для реализации экспериментального исследования проведена серия испытаний на малоцикловую усталость (МЦУ) стандартных цилиндрических гладких образцов с предварительно определенными остаточными напряжениями. Образцы изготовлены из термообработанной заготовки диска, полученной из гранул жаропрочного никелевого сплава методом горячего газостатического прессования. Требования к размерам и качеству образцов - в соответствии с ГОСТ 25.502 и ASTM E 606 [2, 3]. Внешний вид гладкого цилиндрического образца

ной органом Авиарегистра МАК испытательной лаборатории прочности материалов и деталей авиационных двигателей ОАО «Авиадвигатель» на установке LFMZ-100 производства фирмы Walter+Bai ag, Швейцария. В качестве общего методологического подхода к проведению испытаний принят ASTM E 606. Параметры проведения испытаний на МЦУ:

• вид нагружения - циклическое одноосное растяжение-сжатие;

• режим нагружения - «жесткий» (контролируемая деформация в цикле нагружения);

• форма цикла - синусоидальная;

• коэффициент асимметрии деформаций в цикле Яе =-1;

• частота нагружения 0,5 Гц;

• температура 20°С;

• критерий прекращения испытаний - разрушение образца.

В табл.1 приведены обобщенные результаты проведенных испытаний на МЦУ: средние значения долговечности, рабочих размахов напряжений в цикле (при N/4, N/2, 3^4) для каждой группы образцов в исследованном диапазоне размахов деформации в цикле нагружения.

Таблица 1

Результаты испытаний на МЦУ образцов из никелевого сплава_

Размах деформации в Группа образцов Число циклов Размах напряжений в цикле, МРа

цикле, % до разрушения N/4 N/2 3N/4

I 41013 1648 1649 1642

0,8 II 40253 1649 1648 1641

III 17098 1754 1748 1741

I 14364 1902 1878 1845

1,0 II 14711 1891 1860 1829

III 8717 1980 1930 1892

I 5482 2036 1982 1940

1,2 II 4987 2050 2000 1962

III 4011 2109 2050 2007

Как видно из данных табл.1, с уменьшением размаха полной деформации в цикле нагружения межгрупповая разность наработки до разрушения возрастает. Для рассматриваемого никелевого сплава на протяжении всего процесса деформирования наблюдается циклическое разупрочнение, характеризующееся расширением петли гистерезиса от цикла к циклу и уменьшением размаха напряжений. Максимальное значение среднего размаха напряжений в цикле наблюдается у третьей группы образцов - с наибольшим уровнем технологических остаточных напряжений.

Для каждой группы образцов определены границы минимальных значений долговечности [4]:

lg(N)mn = lg(N) - 3 • S

lg

Функциональные зависимости, значения СКО для каждой группы образцов представлены в табл. 2.

Полученные значения среднеквадратических отклонений невелики, что подтверждает предположение о линейной зависимости долговечности от размаха полной деформации в цикле в двойных логариф-

Уравнения кривых МЦУ по средним и минимальным значениям величины СКО

Таблица 2

Группа образцов Тип кривой СКО

МЦУ по средним значениям МЦУ по минимальным значениям

I ^(Ч) = 4.137 - 4.944 • ^(Ае) 1в(Ч)тп = 3.9 - 4.944 • ^(Ае) 0,079

II ^(Ч) = 4.127 - 5.256 • ^(Ае) 1Е(Ч)тп = 3.957 - 5.256 • ^(Ае) 0,057

III ^(Ч) = 3.912 - 3.853 • ^(Ае) 1Е(Ч)тп = 3.722 - 3.853 • ^(Ае) 0,063

Соотношения, определяющие связь долговечности с размахом полной деформации в цикле для каждой группы образцов, получены в предположении линейной зависимости рассматриваемых характеристик сопротивления усталости. Методом линейного парного регрессионного анализа построены кривые МЦУ исследуемого никелевого сплава в двойных логарифмических координатах по зависимостям вида

lg(N) = a + b • lg(Ae) ,

где N - значение долговечности до разрушения образцов; Ае - значение размаха полной деформации в цикле; а, Ь - константы уравнения регрессии.

Определены значения среднеквадратических отклонений (СКО) экспериментально полученных данных от линий регрессии для каждой группы образцов по формуле [4]:

lg

1

jj

N -1

мических координатах, при этом минимальное значение получено для второй группы образцов - 0,057, максимальное - для первой - 0,079.

На рис.2 в двойных логарифмических координатах «число циклов до разрушения» - «размах полной деформации в цикле» представлены экспериментальные данные и построенные кривые МЦУ вида (1), а также кривые МЦУ по минимальным значениям вида (3) для каждой группы образцов.

Построенные по экспериментальным данным зависимости МЦУ по средним и минимальным значениям, их графическое представление позволяют сделать заключение, что наиболее существенное влияние уровня ТОН на циклическую долговечность образцов из никелевого сплава наблюдается при размахе осевой деформации в цикле равной 0,8%; с увеличением размаха полной деформации влияние ТОН на число циклов до разрушения ослабевает.

Оценка взаимного положения линий регрессии, построенных по функциональным зависимостям вида (1), указывает на снижение сопротивления циклическому нагружению группы образцов с наибольшим уровнем технологических остаточных напряжений. Повышение среднегруппового значения ТОН на 44,98% по сравнению с аналогичным параметром для первой

г=1

0,1

2000

20000

Число циклов до разрушения N

Экспериментальные точки МЦУ I группа

Экспериментальные точки МЦУ II группа

Экспериментальные точки МЦУ III группа

МЦУ по средним значениям I группы

МЦУ по минимальным значениям I группы

МЦУ по средним значениям II группы

— • • • МЦУ по минимальным значениям II группы

МЦУ по средним значениям III группы

--МЦУ по минимальным

значениям III группы

1

Рис. 2. Экспериментальные точки МЦУ, кривые МЦУ по средним и минимальным значениям наработки образцов

из никелевого сплава при температуре 20°С

группы образцов приводит к снижению среднего числа циклов до разрушения на 53,31% при размахе полной деформации (Ае) 0,80%, на 39,31% при Ае =1,00% и на 26,83% при Ае =1,20%.

Уменьшение среднего значения ТОН на 26,08% относительно максимального уровня ОН нивелирует влияние исследованного фактора на сопротивление МЦУ в диапазоне размахов осевой деформации 0,80...1,20% - значения циклической долговечности первой и второй групп образцов лежат в пределах статистического разброса данных на заданном уровне нагружения.

Следует также отметить, что кривая МЦУ по средним значениям третьей группы образцов при уровне полной деформации в цикле менее 1,0% лежит левее кривой МЦУ по минимальным значениям первой группы образцов, то есть выходит за пределы нижней границы доверительного интервала кривой МЦУ по средним значениям группы образцов с наименьшим по

абсолютной величине уровнем ТОН. В частности, экспериментальная наработка до разрушения при размахе полной деформации 0,80% для образцов третьей группы ниже минимального значения аналогичного показателя для образцов первой и второй групп.

В дальнейшем предполагается проведение серий испытаний на МЦУ образцов из рассмотренного жаропрочного никелевого сплава при модифицированных параметрах циклического нагружения, в частности: для коэффициентов асимметрии деформаций в цикле Яе в диапазоне -1,0.0,9; для температур из диапазона рабочих.

Для повышения статистической значимости оценки влияния ТОН на циклическую долговечность никелевого сплава при рассмотренных параметрах нагружения запланированы дополнительные испытания и проведение однофакторного дисперсионного анализа.

Библиографический список

1. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.

2. ГОСТ 25.502-1979. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. Переизд. Июнь 1986 с изм. №1. Введ. 1981-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1986. 34 с.

3. ASTM E606-2004. Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing. Republished October 2004. Originally approved 1977. 16 p.

4. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: справочник. М.: Машиностроение, 1985. 232 с.