раздел 2.1), так и без него. В первом случае начальные уровни напряжений в ослабленном отверстием сечении были 300, 500 и 720 МПа, а во втором 650, 720 и 800 МПа. Аналогичные исследования проводились на сплавах ЭП742 (400 и 500МПа) и ЭП962 (300 и 600 МПа). Испытания проводили при частоте 0,1 Гц (для сплавов ВТ9 и ЭП742) и 5 Гц (для ЭП962) и асимметрии цикла нагружения 0,1. Эффективный коэффициент концентрации напряжений К для отверстия равен 1,95, для боковой выточки - 1,81 [100].
Рис.2.6.Система нагрева и регулирования температуры.
Рис.2.7.Электронагревательная печь.
Зарождение трещины фиксировалось как визуально при помощи оптических микроскопов МБС-9 на предварительно полированной боковой поверхности образца и на поверхности отверстия, так и на диаграммах "максимальная деформация - количество циклов нагружения" при мягком режиме нагружения. Появление усталостной трещины длинной 0,5...1,2 мм характеризовалось увеличением максимальной деформации (рис.2.8).
Рис.2.8.Определение количества циклов нагружения к моменту появления трещины. Для удобства измерения длины трещины в процессе испытаний на полированной поверхности образца предварительно наносились риски с шагом 0,5 мм при помощи прибора ПМТ-3. Толщина рисок составляла не более 0,01 мм, отклонение шага не превышало 0,02 мм. Нанесенные риски служили базисом при измерении прироста трещины.
Для наблюдения за развитием трещины в плоских и компактных образцах использовалась система (рис.2.9), состоящая из блока стробоскопического освещения и микроскопа типа МБС. В блок стробоскопического освещения входят: упругая балочка 1 с наклеенными тензодатчиками 2, узел нагружения балочки 3, синхронизатор с фазовращателем 4, стробоскоп 5 и лампа 6 типа ИСШ-15. Балочка 1 консольно закреплена на неподвижной колонне машины, а узел нагружения 3 связан с рамой машины. На один из окуляров микроскопа 7 устанавливают лампу 6, а через другой следят за развитием трещины.
В процессе циклического нагружения переменный сигнал с тензодатчиков 2, расположенных на балочке 1, поступает через синхронизатор 4, на стробоскоп 5 и лампу 6. При этом частота стробоскопического освещения будет совпадать с частотой нагружения балочки, т.е. с частотой испытаний. Такая синхронизация освещения обеспечивает четкое и устойчивое изображение поверхности образца. При малоцикловом нагружении вместо блока стробоскопического освещения использовался осветитель с лампой накаливания.
После разрушения образцов на инструментальном микроскопе детально исследовалось изменение фронта трещины в процессе ее роста, и уточнялась длина трещины по методике, которая обычно применяется для компактных образцов и будет описана ниже.
Рис.2.9.Система визуального наблюдения за развитием усталостных трещин.
Для оценки живучести конкретных деталей необходимо достоверно
оценивать значения КИН для трещин различной формы возникающих, в том числе и в концентраторах напряжений.
В общем случае формула для определения К1 имеет вид [101-103 и др.]
,(2.3)где - весовая функция, учитывающая конечность линейных размеров образца, вид напряженного состояния, форму фронта трещины и т.д.
Зарождение трещины в плоском образце с центральным отверстием и надрезом (рис.2.4, а) наиболее интенсивно происходило в центре надреза, вдали от боковых поверхностей. При исследовании изломов после разрушения отмечалось, что до выхода на боковые поверхности трещина имела форму фронта близкую к полуэллиптической.
В литературе имеются многочисленные приближенные формулы для инженерной оценки К1max для полуэллиптических поверхностных трещин.[13, 17-19, 104 - 106 и др.]. Однако, наиболее приемлемой, как будет показано при анализе экспериментальных результатов, оказалась формула для трещины выходящей на поверхность центрального отверстия в пластине конечной ширины и высоты [107]:
,(2.4)где - полный эллиптический интеграл второго рода; - обозначения соответствуют рис.2.10. Значения функции:
(2.5)табулированы в работе [107]. Пределы применимости формулы (2.4): , , , соответствуют геометрическим размерам и исследуемой форме фронта трещины от момента зарождения до выхода на боковую поверхность в образце на рис.2.4, а.
Когда трещина выходила на боковые поверхности и превращалась в сквозную, для расчёта КИН использовали зависимость для равномерного растяжения прямоугольной пластины с центральным отверстием [108]:
,(2.6)где F - функция табулированная в [108]; - длина трещины.
Рис.2.10.Полуэллиптическая трещина, выходящая на поверхность отверстия. [107]2.3Методики исследования закономерностей развития трещин с учетом формы цикла нагружения, масштабного фактора и температуры.
Испытания проводились на компактных образцах при мягком режиме нагружения (табл.2.4 поз.1, 2, 3) по треугольному циклу нагружения при частотах 0,5 Гц (ВТ9, ЭП742), 25 Гц (ЭП962), 35 Гц (ЭП742), асимметрии цикла нагружения 0,1 и при температурах 293 К, 573 К, 723 К (ВТ9); 293 К, 773 К, 973 К (ЭП742) и 273 К, 873 К, 973 К, 1023 К (ЭП962). Для сплавов ЭП742 и ЭП962 исследовалась кинетика развития трещин при трапецеидальной форме цикла нагружения и выдержках на максимальной нагрузке 300 сек и 3600 сек (температура 973 К). Так же проводились испытания при полетной форме цикла нагружения для сплава ВТ9 (723К) и ЭП742 (973К). Форма полетного цикла представлена на рис.2.11.
Рис.211.Схема нагружения, имитирующая полетный цикл. Цель данных исследований - изучение влияния эксплуатационных и конструкционных факторов (п.1.1) на кинетику роста трещин и на критические значения КИН в жаропрочных сплавах.
Перед исследованием влияния выше перечисленных факторов на кинетику роста трещины на всех образцах инициировалась исходная усталостна