Раздел 2
Общая методика и основные методы исследований
Из изложенного в первом разделе следует, что одной из отправных точек
дальнейших исследований и разработки моделей усталостного разрушения может
служить единый подход к инкубационному и активному периодам, основанный на
учете специфики структурных изменений, которые обусловлены цикличностью
приложения нагрузки и характеристиками цикла.
Поэтому целью настоящей работы явилась разработка модели поведения материала с
учетом частоты нагружения в условиях симметричных и асимметричных циклов на
базе анализа механизмов структурной перестройки, контролирующих его состояние
на стадии накопления усталостных повреждений и в период развития магистральной
трещины.
2.1. Общая методика исследований
Достижение поставленной цели осуществлено по следующей схеме.
1. Разработана методическая схема экспериментальных исследований, позволившая
вычленить влияние конкретных условий нагружения с одной стороны, и установить
закономерности, присущие исследованным материалам, во всем диапазоне условий
нагружения – с другой.
2. По результатам механических испытаний построены кривые усталости и
кинетические диаграммы усталостного разрушения исследованных материалов в
заданных условиях циклического нагружения. [1 Испытания на усталость и
циклическую трещиностойкость выполнены сотрудниками отд. № 8 Института проблем
прочности им. Г.С.Писаренко НАН Украины]
3. Выполнены экспериментальные исследования эволюции структурных и
фрактографических характеристик, которые позволили установить частные и
общие закономерности.
4. На основании обобщения экспериментальных данных сделаны модельные допущения
и разработана представленная в аналитическом виде модель эволюции состояния
материала в условиях циклического нагружения.
5. Выполнен математический анализ структуры полученных уравнений.
6. Получено экспериментальное подтверждение справедливости основных уравнений и
следствий из них.
7. Показаны возможности практического применения полученных уравнений.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
– исследованы механизмы структурной перестройки различных классов металлов и
сплавов, контролирующие состояние материала на стадии накопления усталостных
повреждений и в период развития трещины в широком диапазоне значений частоты и
коэффициента асимметрии цикла;
– исследовано влияние характеристик цикла и технологических факторов на
эволюцию структурных параметров и разрушение материалов;
– установлены общие закономерности эволюции структурных и фрактографических
характеристик материала в различных условиях циклического нагружения на базе
совместного анализа результатов исследований с литературными данными;
– определено условие нестабильности по отношению к локальному разрушению на
стадии, предшествующей появлению трещины;
– установлена применимость полученного условия нестабильности по отношению к
локальному разрушению материала в вершине усталостной трещины.
При разработке модели выполнены следующие требования:
* основные допущения основаны на экспериментально установленных
закономерностях, параметры, описывающие рассматриваемый процесс, имеют
физический смысл;
* описание конкретного состояния материала или процесса не противоречит
положениям теории, в рамках которой проводится рассмотрение;
* аналитические выражения получены путем строгих математических
преобразований;
* результаты формального математического анализа аналитически полученных
уравнений находятся в согласии с экспериментально наблюдаемыми явлениями;
* конечные уравнения имеют достаточно простую, приемлемую на практике,
математическую форму.
2.2. Характеристики исследованных сплавов.
Материалами для исследований (табл. 2.1) служили широко применяемые сплавы на
основе титана, алюминия, никеля и железа, обладающие различными
кристаллографией и степенью легирования, разными режимами химико-термической
обработки и охватывающие широкий диапазон уровней статической прочности и
пластичности.
Таблица 2.1.
Химический, фазовый состав, тип кристаллографической решетки и механические
свойства сплавов
Сплав
Химический состав
Фазовый состав
Решет-ка
sв,
МПа
s02
МПа
d,
y,
7
ПТ7М
наводоро-женный
Ti-2Al-2.5Zr +H2
a,
гидриды
ГПУ
530
437
21,5
48,8
ТС
титан
ГПУ
803
674
21,9
39,7
ПТ3В
Ti-4Al-2V
псевдо-a
гпу+
оцк
775
737
11,9
47,4
ПТ5В
Ti-Al-V
псевдо-a
гпу+
оцк
850
820
15
33
Продолжение табл. 2.1.
1
5
7
ВТ20
Ti-Al-Zr-
-Mo-V
псевдо-a
гпу+
оцк
967
925
11,6
55
ОТ4
Ti-4,5Al-
-1,5Mn
псевдо-a
гпу+
оцк
850
785
16
60
ОТ4
Оксидиро-ваный
Ti-4,5Al-
-1,5Mn
псевдо-a
гпу+
оцк
839
780
15,3
57
ВТ14
Ti-5Al-3Мо-V
a+b
гпу+
оцк
1076
884
15,5
30,3
ВТ23
Ti-5,5Al-2Mo -
-4,7V-Fe-Cr
a+b
гпу+
оцк
972
920
14,9
37,2
ВТ23
Азоти-рованый
Ti-5,5Al-2Mo -
-4,7V-Fe-Cr +N2
a+b,
нитриды
гпу+
оцк
964
905
14,1
35,2
ВТ23
Оксидиро-ваный
Ti-5,5Al-2Mo -
-4,7V-Fe-Cr +О2
a+b
гпу+
оцк
968
907
14,3
35,7
АМг6Н
Al-6Mg-Mn
b, b'
гцк
389
337
9,55
15,42
ЭП202
67Ni-Al-3Ti-
-18Cr-5Mo-4V
g'
Ni3(Ti,Al)
гцк
1173
715
32,8
44,1
ВНС25
Fe-10Ni-
-12Cr-Mo-Ti
ОЦК
1040
900
16,5
68,6
Более подробно характеристики сплавов такие, как микро- и макроструктура,
область применения, вид полуфабриката, использованного для изготовления
образцов, термообработка и пр. указаны в соответствующих разделах вместе с
результатами исследований.
2.3. Методы испытаний на усталость и циклическую трещиностойкость.
Чтобы иметь возможность сопоставить закономерности локальной пластической
деформации и разрушения п
- Київ+380960830922