Разработка модели для оценки кинетики роста усталостных трещин, сравнительный анализ расчетных и экспериментальных результатов (заключительный, этап 2)

Исследования трещиностойкости титановых и алюминиевых сплавов в различных полиморфных состояниях позволяют на основании характера и последовательности внешних циклов нагружения оценить критериальные параметры для исследуемых материалов, влияющих на продолжительность роста усталостных трещин. Исследование взаимосвязи порогового значения коэффициента интенсивности напряжений с локальным циклическим напряжением в окрестности развивающейся усталостной трещины позволит учесть влияние последовательности и величины трещины, особенно в околопороговой области развития. Это даст возможность дальнейшего развития моделей разрушения при переменном нагружения. Проведенные испытания исследуемых титановых сплавов при нерегулярном нагружении показали, что однократные или многократные перегрузки могут вызывать задержку в развитии усталостной трещины, на порядок отличающейся от продолжительности роста усталостной трещины при регулярном нагружении. Блок был представлен последовательностью из 10000 точек, где первые 2 полуцикла были недогрузка-перегрузка (UL-OL) или наоборот OL-UL. Изучение влияния данного типа внешнего воздействия показало следующее: – сжимающая часть цикла недогрузки в последовательности «недогрузка-перегрузка» UL-OL уменьшает величину задержки в развитии трещин, вызываемой растягивающей частью цикла перегрузки OL; – задержка в продвижении трещины снижается, если непосредственно за перегрузкой следует недогрузка OL-UL. Сжимающая часть нагружения, а именно недогрузка UL, уменьшает эффект торможения развития трещины от воздействия перегрузки.; – значительное замедление скорости роста усталостной трещины может быть достигнуто при периодическом воздействии растягивающих перегрузок OL высокого уровня с большим значением максимального нагружения Pmax. Для исследованных титановых сплавов ПТ-3В (псевдо-α) и ВТ6 (α+β) проведена термообработка, изменяющая их микроструктуру и механические свойства для изучения кинетики роста трещин при регулярном и нерегулярном циклическом нагружении. Для ВТ6 в исходном состоянии характерна глобулярная структура. С помощью термической обработки была получена бимодальная и пластинчатая структуры. Наибольшее влияние на кинетику роста трещины титанового сплава ВТ6 оказывает пластинчатая структура. Для нее характерно наибольшее замедление трещины. Для сплава ПТ-3В исходная глобулярная структура представлена фрагментами α- фазы зернами размерами 180-250 нм и вытянутыми пластинами α- фазы. Продолжительность роста трещины до разрушения при пластинчатой структуре увеличивается в 2-3 раза. Таким образом, для сплавов ВТ6 и ПТ3В наибольшей сопротивляемостью к росту трещины является пластинчатая структура. Были проведены испытания на трещиностойкость при частотах нагружения 25, 120 и 250 Гц. В качестве нагружений были использованы воздействия недогрузок-перегрузок (UL-OL) и перегрузок-недогрузок (OL-UL). При повышении частот для возмущений UL-OL кинетические диаграммы усталостного разрушения (КДУР) от 25Гц до 250 Гц смещаются эквидистантно влево и вверх, что говорит об увеличении скорости роста трещины, причем незначительно при 125 Гц и больше для 250 Гц. Тем самым можно наблюдать, что торможение трещины при действии только воздействием OL-UL снижается. Воздействие на скорость трещины при UL-OL, которое значительно тормозило трещину, то как и при испытании при повышенной частоте следующего регулярного нагружения также как и при OL-UL незначительно смещается эквидистантно КДУР при переходе от частоты 25 Гц к 125 Гц и значительно при 250 Гц влево и вверх. Можно предположить, что такое влияние последующего регулярного циклического нагружения повышенной частоты снижает пластическую зону в устье вершины трещины и тем самым уменьшает торможение этой трещины при прохождении ее через эту зону. Причем такое воздействие характерно при увеличении частоты более 125 Гц. Проведенные исследования кинетики роста усталостной трещины на основании замера ее датчиком раскрытия трещины и замеров характерных особенностей разрушения по изучению фрактографий разрушения показали достоверность полученных результатов и сделанных выводов. Анализ взаимосвязи механических характеристик сплавов с его фазовым составом показал, что характеристики прочности (предел прочности σв и предел текучести σ0.2) изменяются по нелинейной зависимости от весового соотношения β-фазы с минимумом в районе 4-5%. Характеристика пластичности δ% также изменяется по нелинейной зависимости от β-фазы с максимумом в том же диапазоне 4-5%. Было получено процентное количество β-фазы в образцах с в различном структурном состоянии. Наибольшее значения получены для пластинчатой структуры обеих сплавов для ВТ6 – 10.8% и сплаве ПТ-3В – 8.9%, что подтвердило особое влияние величины пластинчатой β-фазы при термической обработке структуры титанового сплавов на их механические характеристики. При большом увеличении (х30000) были изучены отдельные фрагменты структуры по весовому содержанию стабилизаторов (алюминия и ванадия) и связи их с весовом содержанием β-фазы для данной структуры. Выявлено, что диффундирование V-ванадия в фрагменты α-фазы показывает характер его изменения, по виду соответствующему изменению пластичности δ от содержания β-фазы. В фрагментах структуры сплавов весовые значение Al-алюминия не зависят от весового отношения β-фазы и колеблются в пределах (2 - 6)%. Замедление трещины связано в основном с ее прохождением пластической зоны. Большую роль в этом явлении играют процессы, происходящие в пластической зоне около вершины трещины. Оценка кинетики роста трещины для различных последовательностей с учетом изменения порогового КИН Kth в зависимости от локального напряжения вблизи вершины трещины σ* позволяет решить эту проблему. Был получен график изменения порогового КИН Кth в зависимости от локального напряжения σ*, в процессе испытаний по рассматриваемой программе для титановых и алюминиевого сплавов в различном структурном состоянии. Это является основой для методики расчета продолжительности роста трещин, которая позволяет учитывать последовательность приложения нагрузок с учетом асимметрии нагружения и переменных силовых воздействий и может быть использована для оценки кинетики роста усталостной трещины при моделировании внешнего случайного (эксплуатационного) силового воздействия. Установленная взаимосвязь локальных остаточных напряжений с изменяющемся пороговым коэффициентом интенсивности напряжений. Это позволяет учесть эффект взаимосвязи в моделировании скорости роста трещины в нагружении «цикл за циклом» и оценивать продолжительность роста трещины изменением этого параметра в уравнении Формана-Мэтту, которое использовалось для оценки продолжительности роста трещины. Разработана гибридная программа по оценке продолжительности роста усталостной трещины для исследуемых титановых сплавов в различном структурном состоянии, учитывающая «закрытие» трещины, изменение порогового значения КИН Кth в процессе циклического нагружения для различных структурных состояний исследуемых материалов в зависимости от локального напряжения в устье растущей трещины. Полученные результаты свидетельствуют о том, что предложенная методика позволяет учитывать последовательность приложения нагрузок с учетом асимметрии нагружения и переменных силовых воздействий и может быть использована для оценки кинетики роста усталостной трещины при моделировании внешнего случайного (эксплуатационного) силового воздействия.