ИСТИНА

В проекте предполагается провести комплексное экспериментально-теоретическое исследование сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) при «жѐстком» цикле и многоцикловой усталости (МнЦУ) при «мягком» цикле. В испытаниях при температурах 850°С и 1050°С будут использованы монокристаллические образцы с аксиальной кристаллографической ориентацией <001> из перспективного никелевого сплава ВЖМ-5, этот сплав применяется при изготовлении монокристаллических рабочих охлаждаемых лопаток турбины высокого давления авиационных ГТД. Результаты испытаний будут использованы для получения численных моделей МЦУ - Ne=F1(De) и МнЦУ - Ns=F2(Ds). Предполагается определить численные значения параметров С и n уравнения типа Пэриса для никелевого сплава ЭП741НП, применяемого для дисков ГТД. Это уравнение будет использовано для определения количества полѐтных циклов, при котором трещина усталости в диске от начального дефекта подрастает до критического размера при температурах до 650оС. Будет проведено сравнение скорости роста трещины усталости в сплаве ЭП741НП с различными размерами гранул. Будут предложены новые модели длительной прочности металлов и сплавов при нестационарных сложных напряженных состояниях. Так как в этом случае критериальный подход не применим, то будет использована кинетическая теория Ю.Н.Работнова. С помощью векторного параметра поврежденности, дополненного учетом анизотропии материала и поврежденности, накапливаемой в процессе квазистатического нагружения, будут описаны известные экспериментальные данные. Запланировано аналитическое описание известных экспериментальных данных по виброползучести алюминиевых сплавов при одноосном и сложном напряженных состояниях. С помощью специального оборудования будут получены экспериментальные данные по формированию и развитию шейки в металлах в процессе высокотемпературной ползучести.

The project is expected to conduct a comprehensive experimental and theoretical study resistance to low cycle fatigue (LCF) when "jsdom" cycle and multi-cycle fatigue (Micu) on soft cycle. In tests at temperatures of 850°C and 1050°C will be used single-crystal samples with crystallographic axial orientation <001> of the most promising Nickel alloy VIM-5, this alloy is used in the manufacture of working single-crystal cooled blades of the turbine high pressure aviation GTE. Test results will be used to produce numerical models of mtsu - Ne=F1(De) and Mncu - Ns=F2(Ds). Expected to determine the numerical values of the parameters C and n equations of the type Paris for Nickel alloy JEP741NP used for GTE discs. This equation will be used to determine the number of poltech cycles, at which the fatigue crack in the disk from the initial defect grows to a critical size when temperatures up to 650оС. Will compared the speed of fatigue crack growth in alloy JEP741NP with different sizes of granules. Will the proposed new models of long strength of metals and alloys under non-stationary complex stress States. As this case, the criteria-based approach is not applicable, we will use kinetic theory Yu.N.Rabotnova. With the help of the vector damage parameter, supplemented by the accounting the material anisotropy and damage that accumulates in the process of quasi-static loading, will describe the known experimental data. Planned analytical description of the known experimental data on the vibrocreep aluminium alloys in uniaxial and complex stress States. Using special equipment will be obtained experimental data on the formation and the development of the neck in metals during the high-temperature creep.

1. Исследование характеристик скорости роста трещины усталости в гранулированном никелевом сплаве в диапазоне рабочих температур. Определение численных значений параметров С и n уравнения типа Пэриса (для второй стадии кинетической диаграммы роста трещины усталости) никелевого сплава ЭП741НП, применяемого для дисков ГТД, получаемых методом гранульной технологии с размером исходных гранул до 140 мкм и до 100 мкм. Значения С и n будут определены на основании специальной обработки выборки результатов испытаний компактных образцов с начальной трещиной при внецентренном осевом циклическом нагружении с частотой f=0,5…5 Гц при температурах 20, 400 и 650 С. Уравнение с численными значениями параметров С и n используется для определения числа полётных циклов, при котором трещина усталости в диске турбины АГТД подрастает от начального дефекта до критического размера. Будет проведено сравнение скоростей роста трещины усталости в сплаве ЭП741НП с размерами гранул до 140 мкм и до 100 мкм. 2. Исследование сопротивления монокристаллов никелевых сплавов (на примере сплава ВЖМ-5) малоцикловой усталости –МЦУ (при «жёстком» цикле) с коэффициентом асимметрии цикла R=0 и R=-1 при температурах 850 С и 1050 С на базах до 20000-50000 циклов и многоцикловой усталости - МнЦУ (при «мягком» цикле) с коэффициентами асимметрии цикла R=0,1 на базах до 20000000 циклов при температурах 850 С и 1050 С. Исследование будет проведено на основе результатов испытаний монокристаллических образцов с аксиальной кристаллографической ориентацией <001> из перспективного никелевого сплава ВЖМ-5, используемого для монокристаллических рабочих охлаждаемых лопаток турбины высокого давления авиационных ГТД. Результаты испытаний будут использованы для получения численных моделей МЦУ и МнЦУ, которые применяются при оценке ресурсных параметров лопаток турбин. В 2016 г. предполагается провести комплексное экспериментально-теоретическое исследование многоцикловой усталости при температурах 850 и 1050 С сплава ВЖМ-5 для монокристаллических лопаток турбин, что является одной из основных задач, сформулированных в проекте. Продолжение исследований длительной прочности при нестационарном сложном напряженном состоянии. Моделирование результатов испытаний на длительную прочность при различных видах сложных напряженных состояний, проводимых отечественными и зарубежными исследователями. Завершение экспериментально-теоретического исследования осадки цилиндров в условиях высокотемпературной ползучести. Определение вариационной программы осаживания цилиндров на определенную величину за заданный отрезок времени при учете трения.

Контроль кристаллографической ориентации монокристаллических образцов до испытаний осуществлялся методом рентгеновской дифрактометрии на приборе ДРОН-3. Металлографический и фрактографический анализ изломов образцов после испытаний выполнялся с применением видеоизмерительного микроскопа MARH-MM320 (фирма MAHR Multistnsor Gmbh, ФРГ), оптического микроскопа SZ-61TR (OLYMPUS), и растровых электронных микроскопов LEO EVO 40 (ZEISS) и JSM-IT300LV («JOEL»). Для исследования излома применялись детекторы вторичных и отраженных электронов. При определении угла наклона локальных участков излома к оси образца использовали методику, основанную на эффекте стереопары. Для анализа химического состава дефектной области использовался рентгеновский спектральный энергодисперсионный микроанализатор INCA SDD X-MAX («Oxford Instrument»). Испытания на МнЦУ при осевом нагружении и температурах 850 и 1050 С были проведены на высокочастотных резонансных машинах испытательных машинах AMSLER-100 и AMSLER-300 («Zwick/Roell»). При обработке результатов испытаний использована программа «Sigma Plot (версия 10)». При обработке результатов испытаний на РС использованы методы мат. статистики (дисперсионный и регрессионный анализ), использована программа «Sigma Plot (версия 10)». Впервые проведено исследование длительной прочности при нестационарном сложном напряженном состоянии в присутствии агрессивной окружающей среды. В качестве примера рассмотрена прямоугольная пластина, которая последовательно изгибается в разных плоскостях. При исследовании осадки цилиндра в условиях ползучести приведены решения при использовании кинематического и силового способов нагружения, которые приводят к осаживанию на одну и ту же высоту за определенное время. Кроме этого, с помощью метода вариационного исчисления определен метод нагружения цилиндра, который обеспечивает осаживание с теми же параметрами при минимальной работе внешней сжимающей силы.

1) На основании результатов испытаний компактных СТ-образцов (при температурах 20, 400 и 650 С (с частотой f = 5Гц, с коэффициентом асимметрии цикла R(Р) = 0,1 и постоянным размахом нагрузки dР) для каждого образца выделена вторая стадия кинетической диаграммы и получены численные значения параметров С и n уравнения Пэриса (Приложение, табл.1), которые описываются инвариантной линейной зависимостью logC= -5,58-1,80*n (получена ранее). С применением этой зависимости определены средние значения С и n уравнения Пэриса для сплава ЭП741НП (гранулы до 100 мкм) при температурах 20, 400 и 650 С (Приложение, рис.3 и табл.1). Установлено, что сплав ЭП741НП (гранулы до 100 мкм) обладает более высоким сопротивлением развитию усталостной трещины и имеет более высокие значения dК, чем сплав ЭП741НП (до 140 мкм). 2) Получены результаты испытаний на МЦУ при осевом нагружении монокристаллических образцов (Приложение, рис.2) из перспективного никелевого сплава ВЖМ-5 с аксиальной кристаллографической ориентацией <001>. Параметры режимов испытаний - «жёсткий» цикл (т.е. при контролируемой деформации e в цикле), частота f=0.5 Гц, коэффициент асимметрии цикла R(e)=0 (отнулевой цикл при 850 и 1050 С) и R(e)= -1 (симметричный цикл при 850 С) на базах до (2…4)*10000 циклов. Контролируемый параметр цикла в процессе нагружения – размах деформации в цикле de. Параметры режима нагружения полностью стабилизировались, в соответствии с заданной программой, к 8…10-му циклам нагружения. Контроль аксиальной кристаллографической ориентации осуществлялся с применением метода рентгеновской дифрактометрии. На основе этих экспериментальных данных для каждой температуры и каждого коэффициента асимметрии получены численные эмпирические модели и кривые МЦУ - зависимости числа циклов до разрушения Np от размаха деформации (de) в цикле, а также кривые МЦУ и численные модели зависимости числа циклов (N=Np/2) от максимального и минимального напряжений (S) в цикле (Приложение, табл.2). С применением этих моделей построены кривые МЦУ (Приложение-рис.4,5). Как следует из полученных результатов, разрушение при симметричном цикле R(е)=-1 происходит при более высоких значениях размаха деформации de в цикле (а также при более высоких значениях амплитуды деформации в цикле eа=de/2), чем при испытаниях с коэффициентом асимметрии R(e)=0. Однако необходимо учитывать при этом, что в цикле с R(e)=-1 максимальное значение деформации eмакс. в два раза ниже аналогичных значений eмакс в цикле с R(e)= 0. Кривые МЦУ (Приложение, Рис.5) свидетельствуют о том, что при Т=850 С и «жёстком» симметричном цикле по деформациям R(е)= -1 в интервале значений Nр /2 от 100 до 50000 циклов сохраняется цикл по напряжениям, близкий к симметричному [R(S) = -0,95…- 0,92]; а при «жёстком» отнулевом цикле по деформациям [R(e)= 0] цикл по напряжениям характеризуется коэффициентом асимметрии R(S) = 0,53. При температуре 1050 С и отнулевом цикле по деформациям [R(e)= 0] цикл по напряжениям характеризуется коэффициентом асимметрии R(S) , который изменяется с долговечностью (на базах Nf /2 от 500 до 10000 цикл) от значений R(S) = -0,95 до R(S) = -0,47. Полученные модели и кривые МЦУ могут быть использованы при оценке ресурсных параметров монокристаллических лопаток турбин АГТД. 3) Получены результаты испытаний на МнЦУ при осевом нагружении монокристаллических образцов (Приложение, рис.2) из перспективного никелевого сплава ВЖМ-5 с аксиальной кристаллографической ориентацией <001>. Параметры режимов испытаний монокристаллических образцов на МнЦУ - контролируемое напряжение S в цикле, температуры испытаний 850 С и 1050 С, коэффициент асимметрии цикла R(S) = Sмин./S макс.= 0.1. Режимы нагружения: форма цикла – синусоидальная; частота f=83,2…85,5Гц (850 С) и f=60…61Гц (1050 С), контролируемые параметры цикла – минимальное Sмин. и максимальное Sмакс напряжения в цикле. В результате испытаний образца (при заданных значениях температуры Т, коэффициента асимметрии цикла R(S) и размаха напряжений в цикле dS) определялось число циклов до разрушения Nf(МнЦУ). Обработкой результатов испытаний были получены эмпирические модели зависимости числа циклов до разрушения Nf(МнЦУ) от размаха приложенных напряжений в цикле. Эти модели описываются степенной зависимостью, численные значения коэффициентов которой приведены в Приложении, табл. 2. С применением этой зависимости получены кривые МнЦУ, которые приведены в Приложении, рис.4б. Таким образом, модели МЦУ представляются экспоненциальными функциями, а модели МнЦУ – степенными функциями. Этот результат свидетельствует о несостоятельности гипотезы о существовании единой усталостной кривой в диапазоне циклов МЦУ и МнЦУ. Результаты испытаний на МЦУ и МнЦУ также были использованы для оценки непротиворечивости гипотезы о существовании единой (обобщённой) усталостной кривой, которая может выполняеться (по данным некоторых авторов) для ряда сплавов с традиционной поликристаллической структурой. Результаты совместной обработки экспериментальных данных в интервале числа циклов до разрушения МЦУ+МнЦУ показали: - при 850 С обобщённая кривая (МЦУ+МнЦУ) не может быть построена по выборке полученных экспериментальных данных ни по размаху деформаций, ни по размаху напряжений; - при 1050 С обобщённая кривая (МЦУ+МнЦУ) может быть построена только по размаху деформаций (Приложение, Рис. 6а), т.е. в этом случае гипотеза существования объединённой кривой не противоречит экспериментальным данным. Рис.6б (Приложение) – иллюстрирует несовместимость результатов МЦУ и МнЦУ по размаху напряжений для числа циклов N=Nf/2. Результат этой оценки показан на рис. 6. В результате фрактографического анализа образцов установлен характер разрушения при МЦУ в монокристаллах сплава ВЖМ-5 в зависимости от коэффициента асимметрии цикла R(e) и температуры. На основании анализа изломов разрушенных образцов установлено, что при температуре 850 С и R=0 (Приложение, рис. 7) очагом зарождения усталостной трещины является наиболее крупная пора (Приложение, рис.8), из числа пор, которые имеются в объёме образца после кристаллизации монокристаллической заготовки и её термовакуумной обработки в комбинации с процессом горячего изостатического прессования (ГИП). Развитие трещины начинается от приочаговой зоны в виде квадратной фасетки в кристаллографической плоскости (001) до значений = 0,1-0,2 площади сечения образца. После этого трещина развивается по кристаллографическим плоскостям {111}. При температуре 850 С и R= -1 (Приложение, рис. 8б) очагом зарождения усталостной трещины также является наиболее крупная пора. Начальное развитие трещины происходит также в плоскости поперечного сечения. Далее трещины развиваются по плоскостям октаэдра {111}. Прямоугольная форма фасетки приочаговой зоны при 850 С обусловлена различием в скоростях распространения трещины по кристаллографическим направлениям <100> и <110> в плоскости {001}, как это было показано ранее для монокристаллов никелевого сплава ВЖМ-4. При МнЦУ (850 С) наблюдается зарождение усталостных трещин от нескольких очагов на поверхности и от поры внутри объёма образца (Приложение, рис.7). Следует отметить, что очаговые поры могут иметь как сферическую (наиболее частый случай), так и произвольную форму. Размеры пор и включений, от которых зародились усталостные трещины, находятся в пределах от 50 до 95 мкм (рис.8). Рентгеновский спектральный анализ включения показал, что его химический состав составляет в основном кислород и алюминий. На заключительной стадии роста усталостной трещины наблюдается формирование усталостных линий, характеризующих продвижение трещины за один цикл нагружения (рис.9). Расстояние между этими линиями (более 10 мкм) и конфигурация их поверхности не позволяют утверждать, что данные линии являются усталостными бороздками. Отсутствие признаков формирования усталостных бороздок, по-видимому, связано с особенностью реализации механизма усталостного разрушения в монокристаллах никелевого сплава ВЖМ-5 в сравнении со сплавами с традиционной поликристаллической структурой. При температуре 1050 С изломы испытанных образцов значительно окислены и поверхность излома недоступна для детального фрактографического исследования методами электронной микроскопии. При этом на поверхности изломов наблюдается многоочаговое зарождение усталостных трещин с поверхности от микротрещин, обусловленных высокотемпературной коррозией при окислении; развитие трещины происходит, в основном, в плоскости {001}, близкой к поперечному сечению образца (см. Приложение, рис. 7). Результаты анализа изломов свидетельствуют о том, что для снижения вероятности разрушения при МЦУ и МнЦУ необходимо снижать уровень литейной пористости в монокристаллических отливках таких деталей, как рабочие и сопловые лопатки газовых турбин. Один из возможных вариантов – обработка монокристаллических лопаток после кристаллизации методом ГИП. Кроме того, при проектировании и изготовлении монокристаллической детали с аксиальной кристаллографической ориентацией <001> необходимо учитывать, что в поперечном сечении детали в направлении <100> скорость развития трещины выше, чем в направлении <110>. В середине 60-х годов ХХ века выдающийся советский ученый академик Юрий Николаевич Работнов предложил для описания реологических процессов в твердых телах теорию рассеянного разрушения. Эта теория представляет собой механическое уравнение состояния, дополненное системой кинетических уравнений для определения структурных параметров материала. Приведены результаты применения этой теории при описании ряда наблюдающихся в экспериментах особенностей ползучести и длительной прочности металлов. Рассмотрены возможности векторного представления параметра поврежденности при моделировании длительной прочности в случае стационарного и нестационарного сложных напряженных состояний. Выполнено обобщение известных моделей с помощью введения коэффициента прочностной анизотропии материала и учета компонентов вектора поврежденности, накапливаемых в процессе кратковременного квазистатического нагружения, а также взаимного учета этих компонентов. Показано, что коэффициенты прочностной анизотропии, вычисленные с помощью критериального и кинетического подходов, мало различаются между собой. Показано, что все предложенные модели приводят к хорошему соответствию экспериментальных и теоретических значений времен до разрушения. Предложено для описания длительной прочности металлов при нестационарном сложном напряженном состоянии использовать кинетическое уравнение для векторного параметра поврежденности. Моделирование длительной прочности металлов при нестационарном сложном напряженном состоянии связано со значительными трудностями. В качестве наиболее перспективного пути решения этой задачи, по-видимому, является применение кинетической теории длительной прочности. Использование скалярного параметра поврежденности, как правило, не позволяет описать особенности длительного разрушения при различных программах нагружения. При использовании тензорного параметра поврежденности возникают трудности с определением большого количества входящих в кинетические уравнения функций и материальных констант. В связи с этим предлагается описание рассматриваемых экспериментальных данных с помощью векторного параметра поврежденности. Использование векторного параметра поврежденности позволяет сочетать широкие возможности для описания различных экспериментальных данных с относительной простотой кинетических уравнений. Рассмотрены результаты известных испытаний трубчатых образцов при постоянном осевом напряжении и постоянном или знакопеременном касательном напряжении. Циклическое изменение знака касательных напряжений приводит к значительному увеличению времени до разрушения. С помощью варианта кинетического уравнения, предложенного Л.М. Качановым, проведено моделирование известных результатов испытаний (см. S. Murakami, Y.Sanomura, K. Saitoh (1986)). Проведен теоретический анализ результатов выполненных ранее в НИИмех МГУ испытаний трубчатых образцов из алюминиевых сплавов Д16Т и АД1 на ползучесть при растяжении и кручении. Из полученных с участием автора экспериментальных данных следует, что при определенных условиях наблюдается резкое возрастание скорости ползучести при добавлении к статическому напряжению вибрационного напряжения малой относительной амплитуды. Этот эффект (эффект виброползучести) проявляется только в тех случаях, когда вид напряженного состояния при совместном действии статического и динамического напряжений отличается от вида статического напряженного состояния. При этом с увеличением продолжительности приложенного вибрационного напряжения проявление эффекта виброползучести постепенно ослабевает. Предложена модель для описания полученных экспериментальных данных, в которой фигурирует кинетический параметр; этот параметр отличается от нуля только в случае сложного напряженного состояния в трубчатых образцах. В качестве количественной меры этого параметра используется величина угла поворота вектора максимального главного напряжения при добавлении малых вибраций к основному напряженному состоянию. Получено хорошее соответствие экспериментальных и теоретических кривых ползучести при различных видах напряженных состояний. Исследовано рассеянное разрушение прямоугольной пластины при изгибе в условиях нестационарного плоского напряженного состояния с учетом влияния агрессивной среды. Предложен метод определения времени до разрушения такой пластины при последовательном изгибе пластины в разных плоскостях. С помощью кинетической теории Ю.Н. Работнова проведено сравнение времен до разрушения в случае скалярного и векторного параметров поврежденности при использовании степенной модели ползучести. Исследованы отклонения суммы парциальных времен от единицы в случае кусочно-постоянной зависимости уровня изгибающего момента от времени. Получено, что при увеличении (уменьшении) величины изгибающего момента во времени сумма парциальных времен меньше (больше) единицы. Показана аналогия с результатами испытаний на длительную прочность стержней при кусочно-постоянном растягивающем напряжении. Рассматривается осадка круговых цилиндров в условиях высокотемпературной ползучести. Приводится исследование деформирования цилиндров без учета образования бочки при различных программах нагружения. Определяется оптимальная программа нагружения, которая обеспечивает осаживание цилиндра на заданную величину за определенное время с минимально возможным уровнем работы внешней сжимающей силы. Показано, что отличие работы внешней силы в случае оптимальной программы нагружения от аналогичной работы в случае кинематической программы в рассмотренном диапазоне параметров составляет менее 1%. Поэтому в технологических процессах осадки цилиндров целесообразно применять кинематическую программу нагружения. Изучен процесс деформирования и разрушения овального кольца, моделирующего поведение длинной цилиндрической оболочки под воздействием внешнего распределенного давления. Исследуется поведение оболочки как в отсутствии, так и в присутствии агрессивной окружающей среды. В качестве определяющего соотношения для оценки характеристик материала принимается гипотеза о нелинейной вязкости с сингулярной составляющей. В этом соотношении учитывается разносопротивляемость материала при растяжении и сжатии. Сингулярность позволяет наряду с нелинейной вязкостью учитывать характеристики мгновенного разрушения. Получены решения задач о деформировании оболочки в нейтральной и агрессивной средах, с постоянным и переменным коэффициентами диффузии, при различных граничных условиях (постоянство уровня агрессивной среды на поверхности оболочки и условия массообмена). Представлены решения следующих задач: 1. Деформирование оболочки в нейтральной среде. 2. Деформирование оболочки в агрессивной среде с постоянным коэффициентом диффузии. 3. Связанная задача деформирования оболочки в агрессивной среде, в которой коэффициент диффузии зависит от напряжений. 4. Деформирование оболочки в агрессивной среде в условиях массопереноса с постоянным коэффициентом диффузии. Получены распределение напряжений по сечению, распределение концентрации агрессивной среды по сечению оболочки, определение времен работоспособности оболочки для всех указанных задач. Особое внимание уделено сравнению полученных результатов при различных постановках задач. Показано, что агрессивная среда приводит к существенному уменьшению времени работоспособности оболочки. С помощью 3D-печати создаются корпуса машин и механизмов, фрагменты скелета, оружие. При этом определение технологии печати происходит в основном на основе субъективного выбора оператора. Впервые проведено исследование влияния параметров печати на физико-механические свойства напечатанного объекта. Были проведены натурные эксперименты (растяжение образцов) над материалом из ABS-пластика, изготовленным на 3D-принтере. Показана зависимость модуля упругости от температуры изготовления. Способ заливки существенно влияет на свойства образца. Была исследована плотность образцов. Можно сделать вывод, что объем пустот в образцах с поперечной заливкой существенно меньше, чем в образцах с продольной заливкой. Показана фотография мест разрыва для различных температур изготовления (205 C, 220 C, 240 C). Можно видеть, что с повышением температуры увеличивается сплошность образца. При исследовании был установлен оптимальный диапазон температур выплавки (220 C), обнаружены поры регулярного и нерегулярного характера, установлено, что в образцах с поперечной заливкой меньше пор, чем с продольной заливкой. Неравномерность прочности между образцами с продольной и поперечной направлениями заливки можно значительно снизить, если применять повышенную температуру печати и одновременно принудительный обдув. Приведены результаты испытаний на кратковременную ползучесть (продолжительность испытаний составила менее 200 часов) титановых сплавов ВТ5 и ВТ6 при температуре 650 С. Измерены предельные удлинения, а также время в момент разрыва сплошных цилиндрических образцов. Определены параметры степенных зависимостей, связывающих скорости абсолютного удлинения титановых сплавов и номинального растягивающего напряжения. Сделан вывод о более высоких скоростях установившейся ползучести титанового сплава ВТ6, на основании которого титановый сплав ВТ5 рекомендуется в качестве конструкционного материала для кратковременной работы в условиях не циклически изменяющихся во времени растягивающих усилий при температуре 650 С.