Металлических конструкций в процессе эксплуатации

Вопрос 1. Оценка материалов по их физико-механическим характеристикам

Абсолютное большинство элементов авиационных конструкций изготовлено из металлов. Различные виды рабочих нагрузок, воздействуя на металлы более или менее длительное время, приводят к снижению их несущей способности (выработке ресурса) и разрушению. Этот момент может сопровождаться как внешними признаками (недопустимый износ, коррозия), так и внутренними, скрытыми превращениями в структуре металлов.

Обобщенную оценку состояния металлов на различных стадиях ра­боты можно сделать с помощью измерения их физико-механических характеристик при механических испытаниях, которые проводят как в лабораторных, так и в производственных условиях.

При оценке металлов по результатам механических испытаний на образцах обычно предполагают наличие определенной связи (количест­венной и качественной) между механическими свойствами и поведением образцов металла при смоделированных процессах нагружения и дефор­мации.

Основной причиной расхождения между результатами лаборатор­ных испытаний образцов и элементов конструкций является различие между условиями деформации образца и условиями работы конкретных элементов конструкций. Это различие состоит в следующем :

напряженное состояние при одном и том же способе нагружения у образца и детали сложной формы будет существенно различаться (разная ориентация тензоров напряжений), так как полностью воссоздать при ла­бораторных испытаниях образцов сложное напряженное состояние, как правило, невозможно;

при механических испытаниях образец переходит в пластическую область целиком, а в условиях эксплуатации пластическая деформация реального элемента резко локализована;

в большинстве случаев реальные элементы конструкции испытывают многокомпонентное нагружение, что также сказывается на ее несущей способности;

в условиях эксплуатации нагружению подвергаются элементы, от­личающиеся, хотя и незначительно, формой, размерами и технологией изготовления. Вероятность появления различных отклонений свойств натурных элементов значительно больше, чем при испытании небольшого числа образцов.

Рассмотрим критериальные оценки конструкционной прочности металлов при следующих видах нагружения: а – кратковременном статическом при нормальной температуре (схожие условия испытывают стойки шасси); б – длительном статическом при повышенной температуре (характерно для дисков и лопаток турбин); в – повторно-переменном при нормальной температуре (рабочие лопатки компрессора).

При кратковременном статическом нагружении конструкции ее разрушение носит обычно внезапный характер. Из курса "Сопротивление материалов" известны следующие критерии внезапной потери несущей способности материалов при воздействии повышенных нагрузок:

максимальных главных напряжений. Полагают, что разрушение на­ступает при условии ;

максимальных касательных напряжений ( );

накопленной энергии деформирования (критерием разрушения является фиксированная энергия деформирования, накопленная от начала появления необратимых деформаций материала до предельного напряжения);

энергии сдвиговой деформации (разрушение наступает, когда энер­гия сдвиговой деформации в сложном напряженном состоянии станет равной энергии деформации при одноосном растяжении);

максимальных главных деформаций (критерий Сен-Венана), Максимальная деформация, соответствующая разрушению, связана с напряжениями, ориентированными по трем осям ( ), модулем упругости Е и коэффициентом Пуассона v соотношением .

На практике действие перечисленных критериев можно наблюдать например, при недопустимо грубой посадке самолета (ударные нагруз­ки на элементы шасси, силовые консоли крыла и т. п.).

Известна тесная корреляция, например, между относительным сужением и твердостью по Бринеллю НВ. Зная опасные зоны конструкции (обычно это места расположения концентраторов напряжений), а также пределы изменений НВ, можно с помощью переносного твердомера диагностировать приближение несущих свойств элементов шасси к предотказному состоянию.

При воздействии длительно приложенных статических нагрузок и повышенных температур оценивают, по возможности, две группы характеристик: предел длительной прочности и максимальную деформацию ( ). Для дисков турбин, например, наиболее удобной для измерения величиной является пластическая деформация, максимальное значение которой можно зафиксировать по характерному скрежету о лабиринтные уплотнения статора при ручной прокрутке ротора газотурбинного двигателя (ГТД). У рабочих лопаток турбины о недопустимых деформациях может свидетельствовать наличие "шейки" (утонения) на профильной части.

Для того чтобы оценить степень усталости материала, можно сделать ряд косвенных проверок (оценить однородность поверхностного слоя, степень упрочнения, распределение остаточных напряжений и т. д.) или провести усталостные испытания, по результатам которых принимать решение о возможности дальнейшей эксплуатации конструкции (в нашем случае – лопаток компрессора).

Использование наиболее информативных критериев позволяет достовернее выделить состояние материала из заранее известного множества состояний. Это достигается путем аналитических оценок информации, вносимой каждым из параметров, по отношению к какому-то конкретному состоянию.

Вопрос 2. Природа изменения физико-механических характеристик металлов под нагрузкой

Все основные физико-механические характеристики материалов та­кие, как сопротивление различным видам пластической деформации и разрушению, развитие трещин, сопротивление усталости, относят к струк­турно-чувствительным характеристикам. Структура материала определя­ет уровень перечисленных свойств, но в разных областях нагружения по-разному.

В области упругих деформаций, когда нагрузки не превышают пре­дел пропорциональности материала (область действия закона Гука), структура материала в меньшей степени влияет на свойства металлов. В области пластических деформаций это влияние более существенное. Условно различают макро- (видна невооруженным взглядом), микро- (100…1000 крат) и субмикроструктуру (>1000 крат) металлов.

В большинстве случаев макроструктура представляет собой направленные волокна, образующиеся после отливки или проката металла. Поверхности изломов также могут характеризоваться макроструктурными признаками. Даже длительное воздействие рабочих нагрузок не оказывает заметного влияния на макроструктуру металлов. Она может видоизменяться лишь при интенсивном си­ловом воздействии, заметно превышающем характеристики устойчивости, податливости, ударной стойкости и т. д.

Основным элементом микроструктуры металлов является зерно (кристаллит), состоящее из блоков монокристаллов. Размеры этих блоков колеблются от до см. К мелкозернистым материалам относятся высокопрочные конструкционные стали, а наибольший размер зерен имеют литые жаропрочные сплавы. К элементам микроструктуры, влияющим на большинство характеристик прочности, относятся также межзеренные границы металла.

Зерна, блоки монокристаллов, межзеренные границы большинства материалов способны постепенно видоизменяться в процессе работы. Эти изменения можно наблюдать при микроскопических исследованиях структуры. Например, если металл испытывает длительное время постоянно приложенную растягивающую нагрузку в пределах деформаций, близких к пределу пропорциональности, то можно наблюдать постепенное увеличение размеров зерен, их ориентацию в направлении главного вектора напряжений, а также некоторое расширение межзеренных границ.

Длительное воздействие повторно-переменных нагрузок в упругой области может приводить к уменьшению размеров зерен (к увеличению плотности упаковки). Повышение температуры интенсифицирует отмеченные процессы. В определенных условиях можно наблюдать рост новых "субзерен", проявление линий скольжения в кристаллите (особенно типично для жаропрочных сплавов). Отмеченные процессы могут существенным образом влиять на физико-механические характеристики. Причем, как будет показано ниже, это влияние неоднозначно.

Число и соотношение упрочняющих и разупрочняющих фаз монокристалла в работающем материале не остаются постоянными. При расчетном уровне нагружения эти фазы, имеющие, как правило, довольно сложный хими­ческий состав, претерпевают изменения. Непрерывно идут процессы роста, а также коагуляции и растворения фаз в твердом растворе, что отражается на прочностных свойствах материала конструкций.

Особенно интенсивно фазовые трансформации происходят в метал­лах при воздействии нерасчетных нагрузок.

На рис. 9 схематически изображена электроннограмма микро­структуры жаропрочного сплава ХН77ТЮР, из которого изготавливают лопатки турбин ГТД, до и после воздействия повышенных температур. Видно (рис. 9, б), что произошли коагуляция и частичное растворение в основном металле интерметаллидной упрочняющей фазы Ni₃ (Al, Ti) или так называемой -фазы, что существенно снизило жаропрочность сплава.

Рис.9. Схематическое изображение микроструктуры жаропрочного сплава ХН77ТЮР в исходном состоянии (а) и в состоянии перегрева (б): 1 – твердый раствор; 2 – -фаза

Надо отметить, что фазовые превращения в металлах могут иметь обратимый характер. Первоначальную структуру (а) можно получить последующим воздействием расчетных рабочих температур, что восстановит сплав практически до уровня исходных свойств.

Существенное влияние на повреждаемость любых, в том числе авиационных, конструкций оказывают несовершенства кристаллических решеток, называемые дислокациями.

Подвижность субмикроструктуры обусловлена избыточностью энергии, заложенной в материал при силовом и температурном воздействии при изготовлении. Освобождение этой энергии происходит под воздействием эксплуатационного нагружения. В процессе движения субмикроструктуры дефекты низшего порядка притягиваются дефектами высшего порядка.

ЛИТЕРАТУРА

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

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