Исследование роста трещин в изделиях авиатехники на основе натурных испытаний

Проблема предотвращения усталостных разрушений актуальна во всех отраслях машиностроения, особенно в таких, где аварии вследствие разрушения ответственных деталей ведут к катастрофическим последствиям (авиация, железнодорожный транспорт и т.д.). Эта проблема приобретает еще большее значение в связи с быстрым ростом мощностей, увеличением скоростей, сил и других параметров рабочих процессов машин [1].

Сопротивление металлов усталостному разрушению характеризуется пределом выносливости (σ-1). Пределом выносливости называют наибольшее напряжение цикла, которое выдерживает металл без разрушения при любом количестве циклов [2].

По мере роста числа циклов при любых значениях напряжений выше предела выносливости в металле последовательно протекают следующие процессы: 1) пластическая деформация; 2) зарождение трещин; 3) постепенное развитие некоторых из них с преобладающим распространением главной трещины; 4) быстрое окончательное разрушение.

Процесс усталостного разрушения начинается с пластической деформации поверхностных слоев детали (в соответствии с рисунком 1). Скорость локальных пластических деформаций при циклическом деформировании на несколько порядков превышает скорость пластической деформации при статической нагрузке [3]. Скольжение дислокаций начинается в зернах с благоприятной ориентацией вблизи концентраторов напряжений. С повышением числа циклов в поверхностных слоях возрастает плотность дислокаций и количество вакансий (рис. 1а). При достижении базового количества циклов формируется поверхностный упрочненный слой металла с большим количеством зародышевых трещин, размер которых не достиг критического (рис. 1б). Повышение количества циклов не может вызвать дальнейшего развития разрушения в таком слое [4]. И лишь когда напряжения превышают предел выносливости, трещины в поверхностном слое достигают критической длины (рис. 1в), после чего начинается процесс их слияния в магистральную трещину (рис. 1г) и распространение последней.

а)                                                  б)

в)

г)

Рис. 1. Стадии развития усталостной трещины

С целью изучения процесса усталостного разрушения и закономерностей развития усталостных трещин были проведены ресурсные испытания образцов лопастей винта вертолета Ми-171 в научно-производственной лаборатории «Надежность, прочность изделий и конструкций» при ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления». На образцы прикладывалась растягивающая статическая нагрузка и знакопеременный изгибающий момент, в результате чего в образцах возникали напряжения, изменяющиеся по симметричному циклу [5]. В процессе испытаний происходила запись напряжений в режиме реального времени с помощью комплекса тензометрической аппаратуры и контрольно-измерительной системы.

В [6-8] описана методика нахождения ключевых усталостных характеристик, влияющих на ресурс изделий – логарифма долговечности и предела выносливости объектов машиностроения на примере лопасти винта вертолета. По итогам обработки полученных в ходе экспериментальных работ данных было определено, что при базе испытаний N σ = 1,6∙10⁷ циклов и амплитуде напряжений, меньшей или равной σ max = 76,94 ± 2,32 МПа, трещины в образце не будут достигать критической длины.

Однако в процессе эксплуатации не всегда возможно проконтролировать уровень напряжений, возникающих в конструкции, поэтому возникает вопрос: если трещина в конструкции все же возникла, то в течение какого срока скорость ее роста остается стабильной и относительно невысокой, что позволяет безопасно эксплуатировать изделие с уже имеющейся трещиной?

С целью ответа на поставленный вопрос были проведены видеосъемки процесса подрастания трещин в образцах лопастей во время ресурсных натурных испытаний. В процессе испытаний после появления макротрещины длиной 0,5-1 мм на поверхности образца установка размещается так, чтобы камера оказалась над трещиной, и происходит съемка развития трещины под действием знакопеременной нагрузки вплоть до разрушения образца (рис. . 2).

Рис. 2. Кадры из видеозаписи подрастания трещины

Для определения параметров трещин и скорости их подрастания проводится обработка видеозаписи эксперимента с помощью специально разработанной программы. Запись разделяется на отдельные кадры. После обработки всей видеозаписи с помощью созданного программного обеспечения получена информация о всех найденных трещинах, их характеристиках и динамике изменения их характеристик. Эта информация отображена визуально в виде графиков (рис. 3). На полученных графиках заметна немонотонность прироста габарита на отдельных интервалах, что свидетельствует о наличии погрешностей при обнаружении трещин. Погрешности обусловлены тем, что часть конца трещины слабо выражена на видеозаписи и может не распознаваться на некоторых кадрах.

По итогам работы могут быть сделаны следующие выводы:

– средняя скорость роста трещин в образцах лопастей винта вертолета на этапе их медленного устойчивого роста составляет порядка 0,2-0,4 мм/ч, на этапе их ускоренного роста (правый конец графика) – 25-30 мм/ч, что создает опасность эксплуатации лопастей на данном этапе;

– среднее время устойчивого медленного роста трещины составляет порядка 85-90% общего времени ее роста (порядка 165 ч) и может быть включено в ресурс конструкции.

Рис. 3. Графики прироста габаритов трещины

Таким образом, ресурс лопастей вертолета может быть увеличен на 165 ч путем включения времени постепенного подрастания трещины в ресурс конструкции. Данный вывод имеет большое практическое значение, так как позволяет увеличить срок службы лопастей вертолета, что влечет за собой экономию средств. Полученные результаты планируется внедрить в производство на ОАО «Улан-Удэнский авиационный завод».