Механическое поведение конструкционной стали ЭП517Ш при двухосной малоцикловой усталости в условиях нормальных и повышенных температур

ВЕСТНИК ПНИПУ. МЕХАНИКА № 1, 2019PNRPU MECHANICS BULLETIN

Анализ публикаций отечественных и зарубежных авторов свидетельствует об актуальности экспериментальных исследований мало- и многоцикловой усталости в условиях многоосного нагружения для различных конструкционных сталей и сплавов, в том числе авиационного назначения [1–7]. Необходимость проведения экспериментальных исследований при многоосной усталости обусловлена особенностями процесса циклического разрушения в местах сложной геометрии ответственных элементов конструкций газотурбинных двигателей, в которых реализуется сложное напряженно-деформированное состояние. Результаты испытаний используются для изучения закономерностей механического поведения, исследования процессов накопления повреждений, разработки теоретических моделей для расчета усталостной долговечности [8–12].

Для оценки разрушения деталей от действия циклически изменяемых нагрузок при сложном напряженном состоянии используются различные методы расчета ресурса, основанные на линейных и нелинейных моделях накопления повреждений. Результаты расчетов сравниваются с данными экспериментальных исследований [13–15]. В основу критериев расчета на усталость элементов авиационных конструкций при многоосном циклическом нагружении закладывается переход от сложного напряженного состояния к некоторым величинам амплитуды напряжений или деформаций (например, максимальное главное или касательное напряжение, интенсивность напряжений или деформаций и др.). Для определения циклической долговечности рассчитанную величину эквивалентного напряжения сравнивают с аналогичным значением для соответствующей точки на кривой усталости, которая строится в большинстве случаев на основе результатов одноосных испытаний при растяжении-сжатии [5, 10, 12, 16].

Одним из факторов, существенно снижающих долговечность конструкционных сталей, является повышенная температура [17–22]. Температурные условия нагружения помимо снижения циклического ресурса, как правило, изменяют характер механического поведения и процессов накопления повреждений материала. Наиболее отчетливо эти изменения отражаются на характеристиках петель гистерезиса и зависимости максимальных и минимальных напряжений от числа циклов в случае жесткого нагружения. Подобные зависимости механических свойств конструкционных материалов от температуры связаны со структурными изменениями, такими как деформационное старение, рекристаллизация, полигонизация и др. Если при циклическом нагружении реализуется неблагоприятная комбинация параметров цикла (высокий уровень нагрузок и температуры, большое время цикла, наличие длительных выдержек и др.), то на долго- вечность металлов и сплавов влияют также явления ползучести и релаксации.

В отличие от испытаний на многоцикловую усталость, при малоцикловой усталости характерным является наличие значительных пластических деформаций в цикле, для анализа и контроля которых требуется использование динамических экстензометров [8, 13, 22– 26]. Использование датчиков деформаций в экспериментах на малоцикловую усталость позволяет планировать и проводить испытания в условиях либо жесткого, либо мягкого циклического нагружения, когда в процессе испытаний контролируются параметры цикла либо по деформациям, либо по напряжениям соответственно. Для экспериментального исследования механического поведения конструкционных сталей используются простые или комбинированные программы нагружения, в которых контролируемый параметр цикла (для случая жесткого циклического нагружения используются, например, амплитуды общей или пластической деформации, скорость пластического деформирования и др.) задается по произвольному закону. Характер циклического поведения материала отслеживается по изменяемому параметру цикла на основе анализа зависимостей максимальных и минимальных значений от числа циклов в испытании.

Представленный обзор публикаций отечественных и зарубежных авторов показывает, что для изучения механического поведения и процессов разрушения конструкционных сталей при малоцикловой усталости важным и актуальным является проведение комплексных экспериментальных исследований характеристик сопротивления усталости конструкционных сталей в условиях сложного напряженного состояния в широком диапазоне температур.

1.    Методики испытаний

Испытания на малоцикловую усталость проводили в Центре экспериментальной механики ПНИПУ с использованием двухосной испытательной системы Instron 8850, внешний вид которой представлен на рис. 1, а . Два независимых гидравлических привода и современная система управления параметрами испытаний установки позволяют реализовать различные комбинации циклических и статических воздействий, что дает широкие возможности для проведения комплексных экспериментов в условиях плоского напряженного состояния при простых и сложных режимах циклического нагружения, а также позволяет планировать испытания для оценки механических свойств материала в условиях повышенных температур и комбинированных термосиловых воздействий [27–29].

В составе испытательной системы для измерения прикладываемых усилий и моментов в процессе испытания используется двухосевой датчик нагрузки Dynacell с предельными измеряемыми значениями нагрузок ±160 кН при растяжении или сжатии и ±1 кНм при кручении. Точность силового датчика равняется 0,4 % от измеряемой величины.

Для измерения деформаций в ходе экспериментов на малоцикловую усталость при разных значениях температуры применялись динамические двухосевые экстензометры фирмы Epsilon 3550-010M и 3550HT-025M с базами измерения 10 и 25 мм, диапазонами измерений осевых деформаций ±5 и ±10 % и углов закручивания ±4 и ±2,5° соответственно. На рис. 1, б и в показаны установленные в испытательную машину образцы, датчики деформаций и высокотемпературная печь. Двухосевые экстензометры позволяют проводить циклические испытания с контролем деформационных параметров цикла и реализовать различные траектории жесткого нагружения при пропорциональном и непропорциональном изменении осевых и сдвиговых деформаций. На основе показаний двухосевого датчика деформаций для каждого цикла записываются диаграммы деформирования, анализ которых позволяет определять комплекс параметров петель гистерезиса, характерных для режима малоцикловой усталости, и изучать закономерности механического поведения конструкционных сталей и сплавов [23–25]. Перед проведением испытаний датчики деформаций калибровались на двухосевом стенде с поверенными микрометрическими головками. После установки образца в захватах испытательной системы с целью определения качества закрепления экстензометров на поверхности рабочей части производилось предварительное циклирование в упругой области, при котором на нескольких циклах определялись упругие модули при растяжении и кручении и оценивалась линейность показаний датчиков деформаций.

В соответствии со стандартом ГОСТ 25.502–79 для проведения циклических испытаний на растяжение-сжатие и кручение можно использовать сплошные или трубчатые образцы. Преимуществом использования тонкостенных трубчатых образцов является близкое к однородному напряженно-деформированное состояние, которое реализуется в кольцевом поперечном сечении рабочей части образца, что удобно для последующей интерпретации результатов испытаний. В отличие от трубчатых в сплошных образцах в поперечном сечении реализуется неоднородное напряженное состояние из-за зависимости величины касательных напряжений от расстояния между центром и рассматриваемой точкой сечения.

На рис. 2 представлены эскизы образцов с кольцевым поперечным сечением рабочей части, форма которых разработана с учетом требований стандартов ASTM E2207-02, ГОСТ 25.505–85 и ГОСТ 25.502–79 и особенностей испытательного оборудования (геометрия клиновидных захватов, база измерения двухосевых экстензометров, размеры высокотемпературной печи). При изготовлении образцов подобных типов необходимо уделять повышенное внимание, во-первых, качеству внешней и внутренней поверхностей образца, на которых должны отсутствовать концентраторы напряжений в виде рисок от обрабатывающего инструмента, которые могут привести к существенному снижению долговечности, и, во-вторых, равномерности толщины стенки рабочей части образцов в окружном направлении, обеспечивающей близкое к однородному плоское напряженное состояние в поперечном сечении. Для проведения испытаний при повышенной температуре использо- вались удлиненные трубчатые образцы, позволяющие разместить высокотемпературную печь между захватными частями испытательной машины. По сравнению с более короткими образцами у удлиненных образцов больше длина рабочей части на 14 мм (см. рис. 2), что необходимо для установки высокотемпературного датчика деформаций с базой 25 мм.

б

а                                          в

Рис. 1. Сервогидравлическая испытательная система Instron 8850 ( а ) и установленные на образец двухосевые датчики деформаций для проведения испытаний при комнатной ( б ) и повышенной ( в ) температурах

Fig. 1. Servohydraulic test system Instron 8850 ( а ). Dual-axis strain sensors installed on the sample for testing at normal ( b ) and high temperatures ( c )

а

б

Рис. 2. Эскизы тонкостенных трубчатых образцов для циклических испытаний на растяжение с кручением при нормальной ( а ) и повышенной ( б ) температурах

Fig. 2. Thin-walled tubular samples sketches for cyclic tests under tension and torsion at normal ( a ) and high temperatures ( b )

При экспериментальном исследовании характеристик малоцикловой усталости в условиях повышенных температур на поверхность рабочей части образца крепились две термопары, позволяющие контролировать нагрев до заданной температуры. Показания с термопар снимались посредством контроллера Omega MDSi8A. Для минимизации движения потоков нагретого воздуха заглушивалось внутреннее отверстие образца, и укладывалась теплоизоляция из минеральной ваты по нижней и верхней поверхностям обкладки высокотемпературной печи.

б

Рис. 3. Образец с прикрепленными термопарами ( а ) и уложенной термоизоляцией на верхней поверхности высокотемпературной печи ( б )

Fig. 3. Samples with attached thermal couples ( a ) and heat insulation laid down on the upper surface of the high-temperature furnace ( b )

На рис. 3 показаны фотографии образца с закрепленными термопарами и уложенная между захватами испытательной машины и высокотемпературной печью термоизоляцией. Перед началом испытаний в течение двух часов проводилась выдержка, обеспечивающая нагрев рабочей части образца до заданной температуры и достижение теплового равновесия в системе «печь– образец–захваты».

2.    Результаты испытаний

Эксперименты на малоцикловую усталость при нормальной и повышенной температуре конструкционной стали ЭП517Ш проводили в режиме жесткого нагружения, когда в процессе двухосного деформирования контроль параметров цикла осуществляется по осевым и сдвиговым деформациям одновременно. Изменение деформаций в цикле задавали по линейным законам, позволяющим обеспечить постоянную скорость деформирования в осевом и в окружном направлениях. Скорости осевой и сдвиговой деформации составляли: £ = 0,005с - 1 и у = 0,003 3 с ^{- 1}, а максимальные значения деформаций в цикле равнялись: £ = 0,526 % и у = 0,35 %. Циклические испытания проводили по трем программам нагружения, представленным на рис. 4. Схемы на рис. 4, а и б соответствуют пропорциональному изменению осевых и сдвиговых деформаций (простое нагружение с треугольной и М-образной формами цикла соответственно), а на рис. 4, в – непропорциональному (сложное нагружение). Коэффициенты асимметрии цикла R _s= R y = 0.

в

Рис. 4. Изменение осевых (сплошная) и сдвиговых (штриховая) деформаций при циклическом простом (( а ) треугольная и ( б ) М-образная формы циклов) и сложном ( в ) нагружении

Fig. 4. Variation of axial (continuous) and shear (dashed) deformations under cyclic simple (( a ) triangular and ( b ) M-shaped cycle modes) and complex ( c ) loading

В процессе испытания производили запись зависимостей нормальных напряжений от осевых деформаций и касательных напряжений от угла сдвига. На рис. 5 представлены указанные зависимости в виде петель гистерезиса, построенные для среднего по долговечности цикла. Используемое программное обеспечение позволяет в каждом цикле автоматически фиксировать максимальные и минимальные значения изменяющихся в эксперименте величин, что позволяет отслеживать эволюцию пиковых значений от числа пройденных циклов. Например, по зависимости максимальных напряжений от количества циклов определялся момент разрушения образца. Образец считался разрушенным, если значение максимального нормального или касательного напряжения падало на 50 % по сравнению с аналогичными величинами, зафиксированными на первых циклах, или образец разделялся на две части. Результаты испытаний представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Результаты испытаний на малоцикловую усталость при двухосном нагружении на растяжение-сжатие и кручение при температуре 20 °С

Table 1

Low-cycle fatigue test results under biaxial loading in tension-compression and torsion at the temperature of 20 °C

Номер образца	Максимальное напряжение в цикле, МПа		Минимальное напряжение в цикле, МПа		Размах напряжения, МПа		Коэффициент асимметрии		Число циклов до разрушения
	σ max , %	τ max , %	σ min, %	τ min , %	σ r , %	τ r , %	R σ	R τ	N
Простое нагружение (треугольная форма цикла – рис. 4 а )
РК1410-03	593	132	–423	–149	1016	281	–0,71	–1,13	2500
РК1410-04	605	148	–402	–126	1007	274	–0,67	–0,85	5600
РК1410-05	624	151	–403	–140	1028	291	–0,65	–0,93	1850
РК1410-06	601	150	–407	–136	1008	286	–0,68	–0,90	4594
РК1410-19	672	160	–388	–121	1060	281	–0,58	–0,76	1839
Среднее число циклов									3277
Простое нагружение (М-образная форма цикла – рис. 4, б )
РК1410-09	562	152	–396	–121	958	273	–0,70	–0,79	4200
РК1410-10	608	156	–407	–150	1015	306	–0,67	–0,97	1250
РК1410-11	649	161	–361	–136	1011	297	–0,56	–0,84	1706
РК1410-12	622	150	–383	–139	1005	290	–0,62	–0,93	1500
Среднее число циклов									2164
Сложное нагружение (рис. 4, в )
РК1410-14	591	220	–445	–124	1036	344	–0,75	–0,57	2085
РК1410-15	646	204	–416	–114	1062	318	–0,64	–0,56	1116
РК1410-16	600	209	–439	–120	1040	329	–0,73	–0,57	1500
Среднее число циклов									1656

Таблица 2

Результаты испытаний на малоцикловую усталость при двухосном нагружении на растяжение-сжатие и кручение при температуре 600 °С

Table 2

Low-cycle fatigue test results under biaxial loading in tension-compression and torsion at the temperature of 600° C

Номер образца	Максимальное напряжение в цикле, МПа		Минимальное напряжение в цикле, МПа		Размах напряжения, МПа		Коэффициент асимметрии		Число циклов до разрушения
	σ max , %	τ max , %	σ min, %	τ min , %	σ r , %	τ r , %	R σ	R τ	N
Простое нагружение (треугольная форма цикла – рис. 4, а )
PK1425-20	451	90	–352	–69	803	159	–0,78	–0,77	2900
PK1425-21	456	85	–375	–72	831	157	–0,82	–0,85	1920
PK1425-22	464	94	–396	–85	859	179	–0,85	–0,90	2405
Среднее число циклов									2408
Простое нагружение (М-образная форма цикла – рис. 4, б )
PK1425-23	368	72	–351	–61	719	134	–0,95	–0,84	620
PK1425-25	489	91	–388	–83	877	174	–0,79	–0,91	1320
PK1425-26	497	80	–367	–88	864	167	–0,74	–1,10	1702
Среднее число циклов									1214
Сложное нагружение (рис. 4, в )
PK1425-27	410	156	–430	–59	840	216	–1,05	–0,38	1251
PK1425-28	401	165	–423	–62	824	228	–1,05	–0,38	1480
Среднее число циклов									1366

б

а

Рис. 5. Характерные петли гистерезиса малоцикловой усталости при комнатной ( а и б ) и повышенной температуре ( в и г ) и трех разных схемах циклического деформирования (синий цвет – простое нагружение с треугольной формой цикла, красный цвет – простое нагружение с М-образной формой цикла, зеленый цвет – сложное нагружение)

Fig. 5. Characteristic hysteresis loops of low-cycle fatigue at room ( a and b ) and high temperatures ( c and d ) and three different cyclic deformation diagrams (blue – simple loading with a triangular cycle mode, red is simple loading with M- the figurative cycle mode, green color – complex loading)

Анализ приведенных в табл. 1 и 2 данных показывает, что для конструкционной стали ЭП517Ш при малоцикловой усталости долговечность существенно зависит как от температуры, так и от траектории нагружения, даже в случае равенства задаваемых параметров цикла для осевой и сдвиговой деформаций. Можно сделать вывод, что в случае непропорционального деформирования процесс накопления повреждений развивается более интенсивно, что приводит к снижению ресурса стали ЭП517Ш примерно в два раза по сравнению с пропорциональным нагружением как при нормальной, так и при повышенной температуре (см. табл. 1). В свою очередь, долговечность конструкционной стали ЭП517Ш существенно зависит от температуры испытания для всех схем деформирования и снижается на 25% для треугольной и на 35% для М-образной форм циклов, а также на 20% в случае сложного деформирования.

Заключение

Таким образом, в работе рассмотрены методики проведения испытаний на малоцикловую усталость в условиях двухосного циклического деформирования при растяжении-сжатии и кручении.

Проведены экспериментальные исследования малоцикловой усталости при комнатной и повышенной, 650 °С, значениях температуры в условиях сложного напряженного состояния конструкционной стали ЭП517Ш при простом и сложном нагружении. Представлены новые данные о влиянии вида нагружения и повышенной температуры на усталостную долговечность конструкционной стали ЭП517Ш.

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства РФ (постановление № 220 от 09.04.2010, договор № 14.В25.310006 от 24.06.2013) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 16-41-590392).

Acknowledgements

This work was supported by the Government of the Russian Federation (Resolution No. 220 dated April 9, 2010, Contract No.14.В25.310006 dated June 24, 2013) and the Russian Foundation for Basic Research (Project No. 16-41-590392).