Нелинейная динамика и стадийность поврежденности титановых сплавов Ti6Al4V и Ti45Nb при сверхмногоцикловой усталости

Автор: Банников М.В., Оборин В.А., Билалов Д.А., Наймарк О.Б.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 2, 2020 года.

Бесплатный доступ

В работе приведена экспериментальная методология оценки сверхмногоциклового (гигациклового) ресурса применительно к титановым сплавам авиационного Вт-6 (Ti6Al4V) и медицинского (Ti45Nb) назначения с различным состоянием микроструктуры (крупнокристаллическое и субмикрокристаллическое). Субмикрокристаллическое состояние было получено интенсивной пластической деформацией, реализованной двумя методами: трехмерной ковки для Ti45Nb и радиально-сдвиговой прокатки для сплава ВТ-6. Экспериментально реализована программа испытаний многоциклового и сверхмногоциклового нагружения (количество циклов 107-109) с применением методики in situ определения накопления усталостных повреждений, основанной на анализе нелинейных проявлений сигнала обратной связи в замкнутой системе ультразвуковой усталостной установки, которая позволяет установить связь микроскопических механизмов усталости с модельными представлениями, а также рассмотреть стадийность развития поврежденности на основе нелинейной кинетики накопления дефектов в процессе циклического нагружения в режимах много- и гигацикловой усталости. Определены различные закономерности изменения амплитуды второй гармоники колебаний свободного торца образцов с различной внутренней структурой, которые связаны с механизмами релаксации напряжений и накопления повреждений. Уменьшение размера зерна в сплаве Ti45Nb методом трехмерной ковки улучшило усталостные свойства в 1,3-1,5 раза, тогда как для сплава Вт-6 метод радиально-сдвиговой прокатки не увеличил усталостные свойства в сверхмногоцикловом диапазоне, что может быть связано с наличием больших остаточных внутренних напряжений. На основе полученных по морфологии поверхности разрушения масштабных параметров и установленных в работе закономерностей будут построены кинетические уравнения зарождения и роста усталостных трещин в гигацикловом диапазоне нагружения. Данное уравнение на основе эмпирических степенных параметров, связанных со структурой материала, позволит установить количество циклов для зарождения внутренней трещины и выхода ее на поверхность.

Еще

Разрушение, титановые сплавы, гигацикловая усталость, морфология поверхности, нелинейная динамика

Короткий адрес: https://sciup.org/146281988

IDR: 146281988 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.2.12

Список литературы Нелинейная динамика и стадийность поврежденности титановых сплавов Ti6Al4V и Ti45Nb при сверхмногоцикловой усталости

Bathias C., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. – Marcel Dekker Publisher Co, 2005. – 328 p.
Шанявский А.А. Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации. – Уфа: ООО «Моно-графия», 2007. – 500 c.
Ботвина Л.Р. Гигацикловая усталость – новая проблема физики и механики разрушения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2004. – Т. 70, № 4. – C. 41–51.
Bathias С., Paris P., Gigacycle fatigue of metallic aircraft components // International Journal of Fatigue. –2010. – Vol. 32, no. 6. – Р. 894–897. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2009.03.015
Subsurface crack initiation and propagation mechanisms in gigacycle fatigue / Zhiyong Huang, Danièle Wagner, Claude Bathias, Paul C. Paris // Acta Materialia. –2010. – Vol. 58, no. 18. – P. 6046–6054. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.07.022
Meyers M.A., Mishra A., Benson D.J. Progress in mate-rials science. – 2006. – No. 51. – P. 427–556. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2005.08.003
Ovid’ko I.A., Valiev R.Z., Zhu Y.T. Review on superior strength and enhanced ductility of metallic nanomaterials // Pro-gress in materials science. – 2018. – No. 94. – P. 462–540. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.02.002
The effect of interfaces on mechanical and superplastic properties of titanium alloys / E.V. Naydenkin, I.V. Ratochka, I.P. Mishin, O.N. Lykova, N.V. Varlamova // J Mat Sci. – 2017. – Vol. 52, no. 8. – P. 4164. DOI: 10.1007/s10853-016-0508-1
Naydenkin E., Grabovetskaya G., Ivanov K. The Effect of Grain Boundary State on Deformation Process Development in Nanostructured Metals Produced by the Methods of Severe Plastic Deformation // Materials Science Forum . – 2011. – Vol. 683. – P. 69. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.683.69
Vinogradov A., Hashimoto S., Multiscale Phenomena in Fatigue of Ultra-Fine Grain Materials–An Overview // Materials Transactions. – 2001. – Vol. 42, no. 1. – P. 74–84. DOI: 10.2320/matertrans.42.74
Höppel H.W. Mechanical Properties of Ultrafine Grained Metals under Cyclic and Monotonic Loads: An Overview. Materials Science Forum. – 2006. – Vol. 503–504. – P. 259–266. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.503-504.259
Effect of equal-channel angular pressing on the fatigue strength of titanium and a zirconium alloy / V.F. Terent’ev, S.V. Dobatkin, S.A. Nikulin [et al.] // Russ. Metall. – 2011. – P.981–988. https://doi.org/10.1134/S0036029511100119
Mughrabi H. Microstructural mechanisms of cyclic de-formation, fatigue crack initiation and early crack growth // Philo-sophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Phys-ical and Engineering Sciences. – 2015. – Vol. 373 (2038). 20140132. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0132
Sakai T. Review and Prospects for Current Studies on High Cycle Fatigue of Metallic Materials for Machine Structural Use // Jour. Solid Mech. and Mat. Eng. – 2009. – Vol. 3, no. 3. – Р. 425–439. https://doi.org/10.1299/jmmp.3.425
On the formation mechanisms of fine granular area (FGA) on the fracture surface for high strength steels in the VHCF regime / Zhang Li-Li [et al.] // International Journal of Fatigue. – 2016. – No. 82. – P. 402–410. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.08.021
Cantrell J.H., Yost W.T. Nonlinear ultrasonic characterization of fatigue microstructures // Int. J. of Fatigue. – 2001. – Vol. 23. – P. 487–490. DOI: https://doi.org/10.1016/S0142-1123(01)00162-1
In situ characterization of fatigue damage evolution in a cast Al alloy via nonlinear ultrasonic measurements / A. Kumar, C.J. Torbet, T.M. Pollock, J.Wayne Jones // Acta Mater. – 2010. – Vol. 58. – P. 2143–2154. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.11.055
In situ damage assessment in a cast magnesium alloy during very high cycle fatigue / A. Kumar, R.R. Adharapurapu, J.W. Jones, T.M. Pollock // Scr. Mater. – 2011. – Vol. 64. – P. 65–68. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2010.09.008
Non-collinear wave mixing for non-linear ultrasonic de-tection of physical ageing in PVC / A. Demčenko, R. Akkerman, P.B. Nagy, R. Loendersloot // NDT & E International. – 2012. – Vol. 49. – P. 34–39. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2012.03.005
Second harmonic generation at fatigue cracks by low-frequency Lamb waves: Experimental and numerical studies / Yang Yi., TaiNg C., Kotousov A., Sohn H., JinLim H. // Mechani-cal Systems and Signal Processing. – 2018. – Vol. 99. – P. 760-773. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.07.011
Kober J., Prevorovsky Z. Theoretical investigation of nonlinear ultrasonic wave modulation spectroscopy at crack inter-face // NDT & E International. – 2014. – Vol. 61. – P. 10–15. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2013.09.001
Acousto-ultrasonics-based fatigue damage characteriza-tion: Linear versus nonlinear signal features / Z. Su, C. Zhou, M. Hong, L. Cheng, Q. Wang, X. Qing // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2014. – Vol. 45, no. 1. – P. 225–239. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2013.10.017
Noncontact detection of fatigue cracks by laser nonlinear wave modulation spectroscopy (LNWMS) / P. Liu, H. Sohn, T. Kundu, S. Yang // NDT & E International. – 2014. – Vol. 66. – P. 106–116 https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2014.06.002
Наймарк О.Б., Банников М.В. Нелинейная кинетика развития поврежденности и аномалии упругих свойств метал-лов при гигацикловом нагружении // Письма о материалах. – 2015. – Т. 5, №. 4. – С. 497–503.
Evolution of the structural-phase state of a VT22 titani-um alloy during radial shear rolling and subsequent aging / E.V. Naydenkin, I.V. Ratochka, I.P. Mishin, O.N. Lykova // Rus-sian physics journal. – 2015. – Vol. 58. – P. 1068–1073.
Microstructure and Mechanical Properties of Nanostruc-tured and Ultrafine-Grained Titanium and the Zirconium Formed by the Method of Severe Plastic Deformation / Y.P. Sharkeev, A.Y. Eroshenko, V.I. Danilov [et al.] // Russ Phys. – 2014. – J 56. – P. 1156–1162. https://doi.org/10.1007/s11182-014-0156-3
Structure, phase composition and mechanical properties in bioinert zirconium-based alloy after severe plastic deformation / A.Yu. Eroshenko, A.M. Mairambekova, Yu.P. Sharkeev, Zh.G. Kova-levskaya, M.A. Khimich, P.V. Uvarkin // Letters on Materials. – 2017. – Vol. 7(4). – P. 469–472. DOI: 10.22226/2410-3535-2017-4-469-472C
Experimental and theoretical study of multiscale dam-age-failure transition in very high cycle fatigue / V.I. Betekhtin, A.G. Kadomtsev, M.V. Narykova, M.V. Bannikov, O.B. Naimark, S.G. Abaimov, I.S. Akhatov, T. Palin-Luc // Physical Mesomechanics. – 2017. –Vol. 20. – № 1. – P. 78–89. DOI: 10.1134/S1029959917010076
Nazarov A.A. Nonequilibrium grain boundaries in bulk nanostructured metals and their recovery under the influences of heating and cyclic deformation. Review // Letters on Materials. – 2018. – Vol. 8, no. 3. – P. 372–381. DOI: 10.22226/2410-3535-2018-3-372-381
Долговечность сплава АМг6 при последовательном ударноволновом и гигацикловом нагружении / В.А. Оборин, М.В. Банников, Ю.В. Баяндин, О.Б. Наймарк // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 1. – С. 121–128. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.10

Еще

Статья научная