Влияние эксплуатационных факторов на характеристики трещиностойкости конструкционных материалов и разработка методики прогнозирования долговечности дисков газотурбинных двигателей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ПЕРМСКИЙ ПОЛИПЛШЧЕСКтЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

СЕНДЮРЁВ Игорь Вячеславович /

ВЛИЯНИИ ЭКСПЛУАТЩ'ЖПЯ: 5АлТ0Ш НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЩШОСТОЖОСТИ КОНСТРУКЩГСШЯ МШИШЮВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ дисков ГАЗОТУРБИННЫХ

дагАтышй

01.02.06.-"Динашка, прочность г^ашш, пряборов и аппаратуры"

Автореферат диссэртздш на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь 1992

Работа выполнена в Пермском политехническом институте Научные руководители: доктор технических наук, профессор Гладковсетй В.А. доктор технических наук, профессор Вассер?«4гш H.H.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Колмогоров Г.Д. кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ковров Б.Н.

Ведущая организация: НПО "Авиадвигатель", г.Пермь

Защита состоится ИЬйНЯ 1992 г. в "А?" часов

на заседании специализированного совета К.063.66.02 по щжеузденжв ученой степени кандидата технических наух в Перископ политехническом института ( 614600, г.Пергхь, ГСП-45, Комсомольский пр., 29а )

С диссертацией мозг о ознакомиться в библиотеке института Автореферат разослан "/3" /<МЯ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

1.М. Тимофеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ВОПРОСОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Обеспечение высокой надежности и повышение ресурса газотурбинных двигателей (ГТД) неразрывно связано с экономичностью и безопасностью полетов. В конструкции ГТД наиболее нагруженными являются роторные детали, долговечность которых определяет ресурс всего двигателя. Анализ причин разрушения и образования трещин в дисках турбины и компрессора, изготовленных из высоколегированных сплавов на основе никеля и титана, показал, что пропуски металлургических и технологических дефектов на готовую деталь нередки. Кроме того, необходимо учитывать возможность возникновения и развития трещин в процессе эксплуатации. Поэтому назначение ресурса дисков ГТД должно базироваться на комплексе исследований характеристик трещиностойкости материалов дисков с учетом влияния эксплуатационных факторов. Такие исследования позволят оценить скорость распространения трещин в дисках и на этой основе дадут воз«с~:оств установить предельно размер дефекта и регламент кон-

троля дисков. Таким образом, проведение комплексных исследований влияния эксплуатационных и конструктивных факторов на характеристики трещиностойкости материалов дисков и оценка на этой основе долговечности дисков с учетом реальных условий эксплуатации является актуальной задачей для авиационной промышленности. Решение этой задачи позволит повысить надежность и ресурс эксплуатации двигателей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с хозяйственными договорами с Пермским НПО "Авиадвигатель" "Исследование трещиностойкости материалов деталей роторов ГТД при периодическом нагружении" (ГР 0180006772, ГР 01860069772, ГР 0188069833), проводимых в соответствии с тематикой, утвержденной приказом 455 от 18.06.85 по Минвузу СССР "Координирующий план НИР ВУЗов в области механики на 1985-1990 г.", Комплексной программой научно-технического прогресса до 2000 года, созданной АН СССР, отраслевой программой "Авиационная технология".

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью исследования являлось изучение закономерностей развития трещин в титановых и хромоникелевых сплавах, предназначенных для изготовления дисков ГТД, с учетом влияния эксплуатационных и конструктивных факторов, и разработка на

этой основе методики расчета долговечности дисков при наличии в них трещиноподобных дефектов.

Для достижения указанной цели необходимо:

- экспериментально исследовать влияние эксплуатационных факторов на пороговые коэффициенты интенсивности напряжений и кинетику развития трещин в титановых и хромоникелевых сплавах;

- определить ключевые параметры, оказываацие существенное влияние на рост трещины в дисках ГЗД;

- разработать модель кинетики роста трещины в материалах дисков ГТД, с учетом влияния основных эксплуатационных факторов;

- обосновать применение критерия начала нестабильного роста трещины, оценивающего достижение 1фитического состояния, и разработать методику его определения;

- создать методику расчета долговечности дисков при наличии в них трещиноподобных дефектов разной величины.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в следующем:

- установлены закономерности влияния асимметрии цикла, частоты и времени выдержки при максимальном уровне нагружения на характеристики циклической трещиностойкости жаропрочных титановых и хромоникелевых сплавов при комнатной температуре;

- установлены закономерности влияния температуры, асимметрии, частоты и времени выдержки при максимальном уровне на-гружения на характеристики циклической трещиностойкости в интервалах температур от 20 до 500°С для титановых сплавов и от 20 до 760°С для хромоникелевых сплавов;

- разработана новая методика определения наименьших пороговых коэффициентов интенсивности напряжений (КИЮ, на которую подана заявка на изобретение (авторская заявка № 4925156/00 от 4.04.91);

- исследовано влияние предыстории и асимметрии цикла наг-ружения на пороговые КИН и получено уравнение регрессии, удовлетворительно описывающее зависимость пороговых КИН.от выше названных факторов;

- исследован процесс стабильного роста трещины при квази-статическоы нагружении и получены кинетические диаграммы развития трещин ползучести в титановых и хромоникелевых сплавах

при повышенных температурах;

- разработана надежная методика определения критерия начала нестабильного роста трещины на основе которой создана феноменологическая модель эволюции фронта трещины при квазистатическом нагружении;

- разработана модель кинетики роста трещины в зависимости от уровня нагружения в условиях действия циклических и статических нагрузок, учитывающая влияние выше названных эксплуатационных факторов, а также совместное действие усталости и ползучести.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем:

- разработана новая методика определения наименьших пороговых КИН, значительно снижающая затраты труда и материала при испытании образцов и повышающая точность определения пороговых КИН;

- получена зависимость пороговых КИН, позволяющая лцек:; -вс.ть условия неразвития усталостной трещины с учетом предыстория и асмметрии цикла нагружения;

- обоснована корректность применения критерия начала нестабильного роста трещины, позволяющего оценивать критический размер трещины приводящей к катастрофическому разрушению и разработана методика его определения;

- на основе модели развития трещины разработана методика расчета долговечности дисков ГТД при наличии в них трещинопо-добных дефектов разной величины, в условиях действия спектра нагружеаия обобщенного полетного цикла.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОШ. Результаты комплексных исследований были использованы НПО "Авиадвигатель" для выбора материалов дисков, с учетом реальных условий эксплуатации, при доводке двигателя ПС90А. Разработанные на основе моделей кинетики роста трещин рекомендации были использованы НПО "Авиадвигатель" при составлении программ стендовых испытаний деталей и узлов ГТД, акты приемки научно-технической продукции прилагаются к диссертации.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ обеспечивается использованием апробированных математических методов и моделей механики деформированных тел, комплексом электронно-измерительной аппаратуры, представительностью выборок испытуемых

образцов и статистическими методами обработки результатов.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ СЖДДЩИЕ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

- новую методику определения наименьших пороговых КШ;

- результаты комплексного экспериментального исследования влияния температуры, асимметрии и времени выдержки при максимальной нагхузке в цикле на характеристики циклической трещино-стойкости титановых и хромоникелевых сплавов, предназначенных для изготовления дисков ГТД;

- модель, описывагацую условия неразвития трещины в зависимости от предыстории и асимметрии цикла нагружения;

- экспериментальные данные по кинетике роста трещины ползучести в материалах дисков ГТД при повышенных температурах;

- методику определения критерия начала нестабильного роста трещины при квазистатическом нагружении;

- экспериментальные данные о характере стабильного роста трещины при квазистатическом нагружении и феноменологическую модель эволюции фронта развивающейся трещины;

- модель, описывающую зависомость скорости роста трещины от уровня нагружения с учетом влияния основных эксплуатационных факторов, а также совместного действия усталости и ползучести ;

- методику и результаты оценки долговечности дисков ГТД в условиях действия спектра нагружения обобщенного полетного цикла двигателя ПС90А, при наличии в дисках трещиноподобного дефекта разной величины;

АПРШАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технической конференции Казанского авиационного института по итогам работы в 1985-1986 г., на I Всесоюзной научно-технической конференции "Механика разрушения материалов" (г.Львов,1987), на зональной научно-технической конференции "Сопротивление усталости и повышение несущей способности изделий методом поверхностной пластической деформации" (Пермь,1988), на Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей (Москва,1990), на Всесоюзной научно-технической конференции "Живучесть и безопасность конструкций технологических систем" (Красноярск,1991).

ПУБЛИКАЦИИ. По основным научным результатам диссертационной работы опубликовано 10 работ и подана заявка на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБШМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОШ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка использованной литературы, содержащего 116 наименований. Работа изложена на 197 страницах, содержит 64 рисунка, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность выбранной темы диссертации, определена цель исследования, отражена ее научная и практическая значимость.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ дан краткий обзор литературы касающейся современных принципов конструирования элементов ГТД с использованием критериев механики разрушения и новых принципов эксплуатации двигателей. Приведен анализ теоретических и экспериментальных исследований, посвященных изучению закономерностей развития трещины в конструкционных материалах (зхлкчан титановые и хромони-келеяые сплавы) при циклическом и статическом нагружении.

Анализ причин разрушения и образования трещин в дисках турбины и компрессора, изготовленных из высоколегированных сплавов на основе никеля 'и титана показал, что пропуски металлургических и технологических дефектов на готовую деталь нередки. Поскольку изготовление абсолютно бездефектных деталей практически невозможно, да и экономически нецелесообразно, необходимо учитывать возможность возникновения трещин за время межремонтного ресурса и, основываясь на принципах механика разрушения, оценивает скорость их распространения с целью установления предельно допустимого размера дефэкта и регламента контроля дисков. Решение этой задачи требует проведения комплексных исследований по определению влияния основных эксплуатационных факторов на характеристики трещиностойкости материалов дисков ГТД. Ввиду недостаточности данных по комплексному влиянию температуры, времени выдержки, частоты и асимметрии цикла нагружения на характеристики жаропрочных титановых, хромоникелевых сплавов проведение таких исследований является весьма актуальным.

В литературных источниках обнаружено, что недостаточно изучено поведение материалов, связанное с наличием периодов выдержки под нагрузкой или медленным цитированием при высоких температурах

то есть с процессами, создающими возможность накопления повреждений от ползучести и распространения трещины при взаимодействии ползучести и усталости.

Для оценки достижения момента начала неустойчивого развития трещины (критического состояния) существует необходимость разработки простого и надежного критерия, применимого в условиях как маломасштабной, так и полномасштабных текучестей и независящего от начальных размеров трещины.

На основе проведенного анализа литературных данных обоснованы и сформулированы основные задачи исследования.

ВО ВТОРСЙ ГЛАВЕ представлены материалы по экспериментальному исследованию влияния эксплуатационных факторов на характеристики циклической трещиностойкости титановых (ВТЗ-1,ВТ8,ВТ18У) и хромоникелевых (ЭП742ВД, ЭП741НП, ЭЙ698) сплавов.

Для определения влияния эксплуатационных факторов на характеристики циклической трещиностойкости строили кинетические диаграммы усталостного развития (КДГР) трещины, включая пороговые и критические значения КИН. КДУР дает полную характеристику способности материала сопротивляться зарождению и развитию усталостных трещин.

Для построения КДУР использовали образцы» вырезанные из натурных титановых и хромоникелевых дисков, которые подвергали жесткому плоскому консольному изгибу на усталостных машинах УИМП-Ю. Машины УИМП-Ю имели регулируемый привод, для изменения частоты нагружения, и специальные трубчатые печи, позволгацие следить за развитием'трещины в процессе высокотемпературных испытаний.

В процессе роста усталостной трещины в образце измеряли приращение ее длины лЬ с помощью микроскопа МБС-9 с точностью до 25 мкм и фиксировали число циклов за которое произошло это приращение. На основе этих данных рассчитывалась скорость роста трещины (СРТ) и строились КДУР в координатных СРТ - максимальный КИН в цикле Кта*, при различных значениях температуры, частоты и асимметрии цикла нагружения.

Критические занчения КИН определяли по РД 50-345-82, а минимальные пороговые КИН К1а по специально разработанной методике, на которую подана заявка на изобретение. В основу методики положено использование образца специальной формы, в котором по мере увеличения длины трещины происходит уменьшение коэффициента интенсивности напряжений и при снижении КИН до порогового уровня

о

трещина перестает расти.

Кроме того, для определения наименьших пороговые КН К4, , использовалась разработанная на кафедре "Сопротивление материалов" Пермского политехнического института методика определения пороговых КИН путем ступенчатого изменения нагрузки, которая позволяет определять пороговые КИН в широком диапазоне длин трещин и учитывает зависимость К^. от начального максимального КИН цикла (К^, при котором выращена трещина.

Наибольшую практическую ценность представляет оценка наименьшего возможного КЬ=К*0. Для определения этой характеристики строят график зависимости К4 «•¿"(к*), который как показывает опыт, может быть аппроксимирован лкненний функцией вида

Для этого методом ступенчатого изменения нагрузки на образцах двух-трех серий определяют пороговые ККН, соответствующие различным значениям К^ Полученные результаты наносят на график в координата« К^-К, и производят жнекную аппроксимация зависимости К^ от Кн. Угол наклона этой прямой к ос;; абцисс -х характеризует степень чувствительности К4 к начальным условиям. Учитывая, что К^ не может быть меньше К4 , а их сближение являете;: приближением к искомой характеристике, наименьший пороговый КИН К4о определяют путем зкетрополяиик экспериментально"; зависимости = в область малых значений до пересечения с прямо.":

Значение соответствущее точке пересечения этих прямых, и считают тиккм КИН, при котором трещина, полученная при любых начальных условиях, не будет развиваться.

На основе разработанной методики был поставлен и реализован многофакторный планируемый эксперимент, в результате которого получено уравнение регрессии, списывающее зависимость пороговых значений КИН от предыстории нагружения и асимметрии цикла:

Кс=Э.589+0.790!?„+0.268Км +17. 538^+0.275КнК„-10. 112-У . NмКт. ,

где, К{- пороговое значение КИН,

Я«, соответственно коэффициенты асимметрии пикла нагружения и КИН, при которых была выращена исходная усталостная трещина;

коэффициент асимметрии цикла нагружения, при

котором определяется пороговое значение КИН К4.

В частном случае, при Кн» и = Й , уравнение

ч1) позволяет определять значения наименьших пороговых КИН К*с.

Полученная регрессионная модель позволяет с достаточной для практических расчетов точностью оценивать условия неразвития трещины в сплаве ЭП742ЭД с учетом прдыстории нагружения и асимметрии цикла при различных сочетаниях , изменяю-

щихся соответственно в пределах от 0 до 0.75, от 0 до 50 МПа м1'2, от 0 до 0.75 (РисЛ).

В диссертации представлены результаты экспериментального исследования влияния температуры на характеристики трещиностой-кости титановых и никелевых сплавов. Исследования проводили в температурном диапазоне от 20, до 500°С для титановых сплавов и от 20 до 760° С для никелевых сплавов.

Установлено, что во всех сплавах повышение температуры приводит к снижению наименьших пороговых КИН К*„ в разной степени. Наименьшее снижение среди никелевых сплавов у сплава ЭП741НП (всего на 22%), а наибольшее (в 2 раза) у сплава ЭП742ВД (Рис.2). Среди титановых сплавов наименьшее снижение в сплаве ВТ8 (на 20%), а наибольшее (2.8 раза) в сплаве ВТ18У. Неодинаково изменяется и коэффициент чувствительности к начальным условиям нагружения. Гак в сплаве ВТ18У он увеличивается в 2.8 раза, в то время как в сплаве ВТ8 всего на 3% (Рис.3). Повышение чувствительности к начальным условиям нагружения с увеличением температуры испытаний связано повидимому с механизмами закрытия трещины из-за вьщеления продуктов окисления. Чем выше температура и уровень нагружения, тем более интенсивно протекают эти цро-рессы.

Таким образом, наилучшей способностью сопротивляться развитии усталостной трещины при повышенных температурах обладают, соответственно в своих классах, сплавы ЭП741НП и ВТ8.

Влияние температуры на скорость роста усталостной трещины проявляется по-разному. У одних сплавов увеличение температуры вызывает наибольшее возрастание СРТ на среднем участке кинетической диаграммы усталостного развития ЭП741НП, у других в припоро-говой области (ВТЗ-1, ВТ18У), у третьих во всем интервале изменения КИН (Рис.4,5).

Исследование влияния асимметрии цикла нагружения, проведенное на сплавах ЭП742ИД и ВТЗ-1 показало, что в случае представле-

ния результатов в координатах ОРТ - максимальный КИН в цикле, увеличение коэффициента асимметрии от 0 до 0.9 приводит к последовательному снижению СРТ и возрастанию наименьших пороговых КИН при комнатной и эксплуатационной температурах. В сплаве ЭЛ742ВД при комнатной температуре с увеличением Кт«к влияние асимметрии на СРТ усиливается. При ¿=7000С влияние асимметрии на СРТ с увеличением Кил« ослабевает. Причиной изменения характера влияния может быть появление при повышенной температуре зависимого от времени поведения материала.

Для обобщения всех результатов по влиянию температуры и асимметрии был проведен регрессионный анализ и получена модель ' зависимости СРТ усталости от уровня нагружения, с учетом влияния температуры и асимметрии цикла нагружения. За основу была взята формула Яремы-Микитишина:

У=Уо - , (2)

ОС^с-Км«)™

где , , т - функции температуры и асимметрии цикла нагружения, определенные методом й'-ортагональных полиномов. Для сплава ВТЗ-1 эти зависимости имеют следующий вид:

ЬоеК ъ о=ао+а. 1Т+а г Ьв

1-1?

+аз?

1-Й

(3)

т=ссИ-с 1Т+С2К+сэТЯ+с-4Я2+сзТ2 а для сплава ЭП742ИД следующий:

Кио-ао+а1Г+а2К+азГЙ+а4Й2+а5Т2

ЬояУо^Ьо+ЬаТ+ЬгЕ+ЬзТН+Ь^да+ЬбТ2 (4)

т=со<-слТ+саН+сзТК+с<Н2+свГ2

где Я - коэффициент асимметрии, Т - температура, 1,Ь,с- коэффициенты, численные значения которых приведены в диссертации.

На основе полученных моделей были построены КДУР для сплавов ВТЗ-1 и ЭП742ЙД, сравнение которых с данными дополнительных экспериментов показало удовлетворительную сходимость расчетных и опытных данных для обоих сплавов.

1S го 2S зо /(„ ,о ts га ¿s зо л>, „ a) f) ois

1 1

/ -r 1

/ 1 1 1

Ж

10 W 20 25 ЬО Ю rs 20 2S ¡0 fy

"»"* 2) *S<!,7S

i) Rf-oso

Bic.I Зависимость порогов::;: КШ си? щюгда-'охгш s coicrosixz :;ra?pjr:.:c:::ui

5-ЭИ69Ч i-20'Ci 6-ЭИШ t-7D0'C. 1-STISV t-WO'Ci 5- BTS, t-2S'C i S -BT31

P«c.3 гкяерааурн itc

лороговш iCIi e т :i<mzi снлсвг;;

Для исследования зависимого от времени поведения материалов были проведены исследования влияния частоты на характеристики трещиностойкостк сплавов при комнатной и повышенной температурах. В исследованном температурно-частотном интервале (от 20 до 500°С - для титановых сплавов и от 20 до 760°С - для никелевых сплавов, при изменения частоты от 12.5 до 0.157 Гц) не обнаружено влияние частоты на наименьшие пороговые К'ЛН и СРТ на припороговом участке КДУР.

Сплавы ВТЗ-1 и ЭП741НП оказались не чувствительными к изменению частоты от 12.5 до 0.167 Гц во всем интервале изменения КИН вплоть до температур соответственно 500 и 760'~С.

Наибольшую чувствительность к указанному изменению частоты проявили сплавы -ВТ8 1: ЭП742ГД, у которых произошло соответственно возрастание СРТ в 10 и 40 раз при температурах 500 и 700°С на верхнем участке КДУР. Это свидетельствует о существенном влиянии временного фактора на процесс развития усталостной трещины при повышенной температуре.

В ТРЕТЬЕ/! ГЛАВЕ представлены материалы экспериментального исследования ¿тала стабильного роста трещины под действием постоянной нагрузки, которое было приведено для оценю; степени участия временного ¿актора в процессе разрушения.

Определяли пороговые коэффициенты интенсивности напряжений К - при превышении которых при данной температуре начинается рост предварительно зарожденной, усталостной трещины под действием постоянной нагрузки/ Получены экспериментальные зависимости пороговых ККН от температуры для всех -лести сплавов.

Установлено, что наибольшей сопротивляемостью к развитию третий ползучести обладают сплавы ВТЗ-1 и ЭП741НП. В сплаве СЛ74211Д значение порогового КШ при 700°С близко к величина.: наименьших порсгозкх КИН при циклическом нагружении К^, зслэдстзпа чего,'при положительной асимметрии циклического погружения, зависимое от времени поведение может быть доминирующим фактором в процессе разрушения и да?;е может являться причиной развития трещины от трещиноподобного дефекта.

Регрессионны:"; анализ получениях кинетических диаграмм развития трещины ползучести (КДРТП) позволил получить зависимость скорости роста трещины ползучести от уровня погружения и температуры, которая удовлетворительно согласуется с -экспериментальными данными:

(K-Kihn)"2

Vn=VnO - , (5)

(Klo-K)»2

где kihtl, тг - функции температуры, определяемые экспериментально, которые имеют следующий вид для сплава ЭП742ИД:

Kt,hn-do+dj.T+d2r2+d3T3

Vno=fo+iiT+far2 (6)

та= ео+-ед(Г-600>

а для сплава ВТ18У следующий вид:

Kthn ^do+diT+daT2

Vno=fo+ii(T-400) (?)

Ш2= eo+ei(T-400)

Исследования процесса роста трещины при постоянной нагрузке позволили предположить, что механизмы ползучести оказывают большое влияние на кинетику роста трещины при циклировании с выдержкой при максимальной нагрузке цикла. Проведенные эксперименты позволили обнаружить возрастание СРТ с введением в цикл наг-ружения выдержки, небольшое (в 3-4 раза) в сплавах ВТ18У, BIB и значительное (почти на два порядка) в сплавах ЭП742ИД и ЭИ698.

Из литературных данных известно, что большой источник погрешностей в расчетах роста трещины при повышенных температурах связей» с неучетом эффектов взаимодействия между усталостью и ползучестью.

Взаимодействие между усталостью и ползучестью можно разделить на три вида: I) чередование циклов усталости и периодов длительной вздержки; 2) цикличность с большим временем выдерживания при максимальных нагрузках цикла; 3) относительно низкая частотность нагружения (ниже 1.0 Гц).

На основании проведенных экспериментов была порчена модель учитывающая эффект взаимодействия между усталостью и ползучестью для всех названных случаев, которая хорошо согласуется с опытны-ыи данными.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ для оценки достижения критического состояния объекта, то есть установления критической длины трещины, приводящей к катастрофическому разрушению при заданном уровне нагрузки, использован энергетический подход Ирвина.

Так как рост трещины в образцах из исследуемых сплавов при квазистатическом нагружении сопровождается значительной утяжкой, характерной для развитой пластической зоны перед фронтом трещины,

применение в этих условиях критериев линейной механики разрушения недостаточно корректно. Уравнение энергетического баланса, описывающее условия стабильного роста трещины в пластине единичной толщины, приводит к соотношению см а

б«- - = - (А - О) , (8)

с1Ь с!Ь

где - удельная обобщенная работа разрушения, представляющая собой суммарные затраты энергии на образование локальной пластической зоны перед вершиной трещины и собственно разрушение, отнесенные к единице площади подроста трещины; энергия, необходимая для образования трещины; А - работа, совершаемая внешней силой; и - накопленная в пластине упругая энергия.

Для определения удельной обобщенной работы разрушения необходимо в процессе испытания образцов с исходной усталостной трещиной, получать полную Р-и диаграмму испитяння образцов с 710 промежуточными частичными разгрузками, благодаря которым получали на каждом образце не менее 6 значений обобщенной удельной работы разрушения (рис.6).

Для получения корректных значений удельной обобщенной работы разрушения необходимо иметь очень жесткое нагружающее устройство, которое позволяло бы получать ниспадающую ветвь кривой нагрузка-перемещение, плавно проводить процесс нагружения и тем самым избегать скачкообразной передачи накопленной в системе мащина-образец потенциальной энергии при страгивании трещины. Этим требованиям отвечает специально изготовленная установка РВП-1.

Для всех испытанных сплавов были отмечены общие закономерности. Во-первых, значения обобщенной удельной работы разрушения на первых этапах нагружения возрастали до определенной величины, а далее стабилизировались и оставались на этом уровне на протяжении нескольких этапов нагружения. Во-вторых, практически во всех испытаниях наблюдался эффект тоннелирования трещины. Только после того, как фронт трещины приобретал определенную форму и глубину дальнейший рост трещины проходил равномерно по всему фронту. С помощью метода красок было установлено, что как раз

этому моменту соответствует стабилизация значений обобщенной удельной работы разрушения. Значение удельной работы разрушения соответствующее равномерному росту трещины, было принято в ка-

Я-с; J-tZ,S Гц, ¡>,0¡ f .^sn,,

"1- зппгид t'20'c¡ щ-жтгид twc-, ~}-3tmimtio?¡ *i-Bre.f20'c; °2-£rs t4Wc¡ as-ms-t оза~с. ач-зтпип±-ихгал5-зит-ч-эием t-гхгс *ч-ети tuarr, *s-sris</ t-xrc, ль-вгт t-wc

Кс.4 -¿лисп» n&mzßSfpi zc. Вис.5 агягпге seaicps2K?a СР1' в гра.:ссгс:слсБьк стсясх CK' з таттовлх СЕЛЕЖХ

P.IC.G ? -V^csvíizzí. исшггслзи образцов с про-

г.сЕугсчихз! чьсггипшд ЪЕ.згтс;З::Г: И

честве критического значения.

Испытания образцов разной толщины позволили получить зависимость критических значений уделькоП обобщенной работы разрушения от толщины, а такта распределение- ее значений по толщине образца. При помощи этой зависимости была выведена формула, позволяющая рассчитывать критическое значение обобщенной удельной работы разрушения для образца любой толщины:

I ^ЬпЭ ,

с*<г= Vь ; 2 с*<-<ь)дь+а*п.ь1) | . (д;

'— —•

где ь,5- ширина переходной зоны Сот ПНС к ЦЦСЗ;

Сс(Ь)~ функкк распределения критических значений обобщенней удельно": работы разрушения по глубине образца;

<3*А- критическое значение обобщенней удельной работы разрущен.н для плоского деформированного состояния;

6, - ширина зоны плоской деформации;

О - полная пирнка образца.

На основе ппгупенных саг помосте Л создала феноменологическая модель эволюции фронта трещины, которая удовлетворительно описывает процесс распространения трещины при переходе от усталостного разрушения к статическому долоку.

В ПЯТСЛ ГЛАВЕ базируясь на полученных моделях усталостного развития трещины, кинетики роста трещины ползучести к учета эффекта взаимодействия между угталссгьн и ползучестьп, разработана методика опенки долговечности дисков ГТД при наличии в них трещинопздобных дефектов разной езлпчинк. Для использования методик;: проведем с-сематизапл по изтоду "дождя" спектра нагруже-кия дисков двигателя "С5СА е обобщенном полетном цикле, которая позволила разлогить ;тзт п:кл на 5 статических и II циклических систавлялцих. На сонзве разработанного алгоритма была рассчитана остаточная долговечность диска ГТД иэ сплава Э1Г742ИД, и диска компрессора из сплава ВТЗ-1.

Анализ полученных данных показывает, что старт трещины в диске из сплава ЭЛ742ВД происходит от циклических составляющих спектра нагруженпя, а затем по мере роста трещины в процесс разрушения вкл:сча:зтся :: статические составляющие. СРГ от статических составляющих быстро достигает уровня СРТ от циклических составляющих и далее стат:гческке состазляющие становятся доминиру-

щими в процессе разрушения, превшая циклические составляющие почти на два порядка при длине трещины более 2 мм.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Установлены закономерности влияния температуры, асимметрии, частоты я времени издержи при максимально?: нагрузке

з г;.:кле на характеристики циклической трещиностоГжости титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ18, ВТ8 и никелевых сплавов ЭП742ИД, СЛ74П-Л, 0И698.

2. Определены экспериментальные зависимости пороговых КИН роста трещин ползучести от температуры, позволяющие оценивать условия неразвития трещин при длительном статическом нагружении.

3. Установлены закономерности кинетики роста трещины при ползучести к получена зависимость СРТ от уровня КИН, учитывающая вариации температуры.

4. Обоснована корректность применения критерия начала нестабильного роста трещины, разработана методика его определения и создана феноменологическая модель эволюции фронта трещины при квазистатическом нагружении.

5. Исследовано влияние предыстории нагружения и асимметрии цикла на пороговые КИН и получена регрессионная модель, позволяющая оценивать условия неразвитая усталостной трещины, с учетом действия названных факторов.

6. Разработана модель кинетики роста трещины от уровня нагружения в условиях действия циклических и статических нагрузок, учитывающая влияние эксплуатационных факторов, а также совместное действие усталости и ползучести.

7. На основе разработанной модели кинетики роста трещины создана методика, с помощью которой рассчитана долговечность дисков ГТД из сплавов ЭП742ИД и ВТЗ-1 при наличии в них трещино-лздобных дефектов разной величины, с учетом действия спектра нагрузки в обобщенном полетном цикле.

8. Результаты исследований были использованы Пермским НПО "Авиадвигатель" для выбора материалов дисков, с учетом реальных условий эксплуатации, при доводке двигателя ПС90А. Разработанные на основе моделей кинетики роста трещин рекомендации были использованы при составлении программ стендовых испытаний деталей и узлов ГТД.

1С

Основнкс результата зклсжскко" раззть: касл;; :трг: о:-:: :. з следующих публикациях:

1. Васссркзя H.H., Пыхти:: 3.Ä., С:.:ста::;;.:к;Б Е.П., ".2. Экспериментальное спредзлекке характеристик трещин; сто.".: ест:: сплавов BT3-I ;; ЭИ/УДина; ;пкс. :: прснэсть ксяшк^ззкэс

Пермь, 1989-с.36-43.

2. Гладковск/й В.А., Вассерман К.Н., Сметанников S.u., Сендзров И.В. Трещиностойкость материалов дисков ГГД при статическом и циклическом нагружении//1(1еханика разрушения 1.;атерналсв:Тез.док. I всес.науч.тех.конф.-Львов.-1987.-с.15с.

3. Вассерман H.H., Пыхтпн Ю.А., Сметанников Ю.П., Сснд.ерзз II.Е. Влияние асшяетркк цикла на трещикзсто";кееть материалов дисксе ГТД при циклическом нагру;::ок::н.//Сопрсгивлен;;е усталости и повышение несущей способности изделий методом поверхностной пластической деформации:Тез.докл.Всесоз.науч.тех.кон£.-Пермь.-1988-е.33

4. Вассерман H.H. ,Сендюрев И.В. Влияние предыстории нагру:;:сннл на пороговые значения XJIH сплава типа ЗП/'/Сепретивлени; устал;е-ти у. повышение несущей способное?:: издали": методом пгв-рхчгт-ной пластической де:*срксгпн: Тес .докл.Ессезз.нгу.тех.йен;. Пермь-IXC.-с.35 36.

5. Вассерман Н.Я»,Пахтан Ю.А.,Сметанников З.Л. ,Сснд!;рзь II.Б. Трещиностойкость материалов дисков ГТД при повышенных темпера-турах//Динамика и прочность механических систем.-Пермь,1991.-с.54-58.

С. Гладковский В.А., Вассерман H.H., Сендюрев И.Б. Влияние предыстории и асимметрии цикла нагрукения на пороговые кс^^н.ц-.енх... интенсивности напряжений сплава типа 3374?//2л8лГ5-ч.:ы.„j сак;:га матерпалов-1989.-Г 3. -_.С5-98.

7. Вассерман H.H., Сенджров II.В., Пыхтпк 1С.А., Сметанников Ю..1. Закономерности развития усталостных: трещин в материалах дисков ГТД//Динамика и прочность механических систем.-Пермь,1590.-е.33-35.

8. Сендюрев И.В., Макаров П.В. Влияние температурь: к асимметрии цикла нагрукения на скорость роста усталостных тр-.щ..:: в ?г.-г.5_ ЗП//Депон. во BHUITSMP.-." 174-.Х'9С.-Ь с.

S. Вассерман H.H., Сендзрев I1.B. Кр::?гр..й кк-г-.-а косто.-;;-л: из? з роста трецпнь: при статическом нагру:;:с'Н;:п/Д:,.зут'оо"'ь и бз^зиасызе.^ конструкций технических систем: тез. дек. Всосс:оз .:.ау".тех.ксн*.-

Красноярск. -IS9I .-с. 64.

10. Гладковский -Б.А., Вассерман H.H., Сендюрев И.В., Сметанников Ю.П. Влияние эксплуатационных факторов на трещиностойкость сплавов BT3-I к ЗН742ИД//Проблемы прочности двигателей: Тез.докл. Всесоаз. научн.соващ.-Москва.-1990.-е.52-53.

Сдано в печать 28.04.92. Формат 60x81/16. Объем 1,25 п.л. Тираж 100. Заказ 1467.

Ротапринт Пермского политехничесвого института