Лекция 7. Повреждаемость от длительно приложенных нагрузок

Вопрос 1. Механизм развития повреждаемости

Длительно приложенные нагрузки испытывает значительное число АК. Преимущественным видом нагружения является растяжение.

Элементы АК проектируются с таким расчетом, чтобы приложенные нагрузки не превышали области упругих деформаций .

Однако с наработкой все же наблюдается постепенное накопление необратимых остаточных деформаций. Установлено, что часть обшивки фюзеляжа, испытывающая растягивающие нагрузки 98 МПа ( ), за 12000 ч работы накопила суммарную деформацию, равную 0,04%. Конечно, такие темпы накопления необратимой деформации не способны спровоцировать возникновение трещин. Но значения этих деформаций могут служить критерием степени искусственного состаривания материала упругонапряженных конструкций.

Для поведения статистически напряженных материалов при повышенной температуре характерно выраженное развитие необратимой деформации, получившей название «ползучесть».

Характеристикой повреждаемости для описанных условий нагружения служат экспериментальные кривые зависимости деформации ползучести от времени. Принято различать (рис.16) три стадии (участка) кривой ползучести: I – неустановившаяся ползучесть с затухающей скоростью; II – установившаяся ползучесть с постоянной скоростью; III – ползучесть с быстро нарастающей скоростью, заканчивающаяся статическим разрушением.

Рис. 16. Типичные кривые ползучести жаропрочного сплава (Т=900°С)

1 – 3 – соответственно высокий, средний и низкий уровни нагружения

Наиболее напряженные элементы авиационных конструкций, такие, как диски, рабочие лопатки турбин ГТД, работают в пределах II участка ползучести, а их долговечность по статическому разрушению оценивается исходя из накопленной за ресурс пластической деформации (0,3…0,35%).

Повреждение металла, развивающееся во времени в процессе ползучести, приводит к разрушению, сопротивление которому носит название длительной прочности. Основной характеристикой, принимаемой при расчете элементов АК, работающих в условиях длительного воздействия статических напряжений, являются пределы длительной прочности , характеризуемые напряжением, вызывающим разрушение через заданное время при постоянной температуре (рис.17).

Рис.17. Типичные кривые длительной прочности жаропрочного сплава

Функции, отражающие изменение для разных температур, имеют «перелом», координаты которого зависят от уровня этих температур.

Исследование изломов, разрушившихся образцы, показывают заметное различие в характере разрушений, соответствующих левой и правой ветвям кривой . При высоких напряжениях, свойственных левой ветви кривой, зона разрушения характеризуется интеркристаллитным строением. Развитие же трещин при более низких напряжениях, свойственных правой кривой, связано с межкристаллитным разрушением.

Таким образом повреждаемость жаропрочных сплавов от длительно приложенных нагрузок определяется состоянием межзеренных границ сплава и силами сцепления монокристаллов.

Степень повреждаемости при повышенных температурах принято характеризовать зависимостями между деформацией ползучести и относительной долговечностью . Здесь – долговечность металла, определенная по кривой длительной прочности. Из рис.18 видно, что имеется устойчивая, практически линейная зависимость между деформацией и долговечностью материала. Это свидетельствует о том, что по величине накопленной деформации можно судить о степени выработки ресурса.

В жаропрочных сплавах деформация складывается в основном из приращений ширины межзеренных границ. Однако контроль с помощью металлографического микроскопа не даст четких результатов, так как высокие температуры чередуются со сравнительно низкими напряжениями и наоборот. Все это накладывает отпечаток на природу повреждаемости элементов ГТД.

Рис.18. Зависимости накопленной деформации ползучести

жаропрочного сплава от относительной долговечности

Многочисленные исследования в области оценки длительной прочности позволяют сделать следующие выводы:

1. При больших уровнях напряжений (0,65…0,9) и температурах, близких к предельным (0,35…0,4) , повреждаемость жаропрочных сплавов происходит вследствие искажений микроструктуры (увеличение в размерах зерен, рост новых «субзерен», разделение кристаллита на поликристаллы по плоскостям скольжения).

2. При снижении уровня напряжений до (0,3…0,6) и температур в процессах повреждаемости основную роль играют межзеренные связи (уширение межзеренных границ с последующим отрывом).

3. При еще более умеренных режимах нагружения длительными нагрузками приобретает подвижность микроструктура монокристаллов (растворение и коагуляция упрочняющих интерметаллидных фаз в твердом растворе монокристалла).

4. При низких уровнях нагружения решающую роль начинают играть движение и концентрация дислокаций в кристаллических решетках сплава, способные вызвать внутризеренное разрушение.

Вопрос 2. Суммирование повреждений при длительном статическом нагружении

Существует несколько теоретических гипотез, описывающих зависимость скорости пластической деформации от напряжений , деформации , времени и температуры :

1. Гипотеза течения, описывающая процесс ползучести зависимостью . Эта теория имеет некоторое подтверждение для высоких уровней надежности (рис.18, кривая 1).

2. Гипотеза линейного суммирования повреждений исходит из того, что существует зависимость , отображающая старение в чистом виде. Гипотеза линейного суммирования повреждений довольно хорошо подтверждается экспериментом при слабом или медленном изменениях напряжений в элементах конструкции в процессе работы.

3. Гипотеза нелинейного суммирования повреждений предполагает, что существует зависимость , которая устанавливает связь между напряжением , суммарной накопленной пластической деформацией и ее скоростью .

Существенным моментом в гипотезе нелинейного суммирования повреждений является так называемая наследственность или своеобразная память материала на остаточные деформации.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Пивоваров. Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций. – М.: Транспорт, 1994.

********************************************************************