Закономірності поширення тріщин термічної втоми в жароміцних сплавах при неоднорідному термонапруженому стані

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут проблем міцності

УДК 620.178.3:539.434

01.02.04. - механіка деформівного твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Закономірності поширення тріщин термічної втоми

в жароміцних сплавах при неоднорідному

термонапруженому стані

Задворний Євгеній Олександрович

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем міцності Національної Академії Наук України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кравчук Леонід Васильович Інститут проблем міцності НАН України, зав. відділом міцності елементів конструкцій у газових потоках і полі відцентрових сил.

Офіційні опоненти:

член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Красовський Арнольд Янович, Інститут проблем міцності НАН України;

зав. відділом фізичних основ міцності та руйнування кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Тормахов Микола Миколайович Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України

Провідна установа: Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С. Підстригача НАН України.

Захист відбудеться 21.12.2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01, Інститут проблем міцності НАН України, 01014, м. Київ, вул. Тимірязєвська, 2

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту проблем міцності НАН України, 01014, м. Київ, вул. Тимірязєвська, 2

Автореферат розісланий 18.11.2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор Карпінос Б.С.

Анотації

Задворний Є.О. Закономірності поширення тріщин термічної втоми в жароміцних сплавах при неоднорідному термонапруженому стані. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04. - механіка деформівного твердого тіла. Інститут проблем міцності НАН України, Київ, 2000.

Розроблено та обгрунтовано підхід до оцінки живучості елементів конструкцій, зокрема, лопаток ГТД, що працюють в умовах впливу високотемпературного газового потоку при циклічній зміні неоднорідних полів температур і напруг.

Проаналізовані експериментальні дані з кінетики тріщин термічної втоми в жароміцних сплавах лопаток газотурбінних двигунів і клиновидних зразків, що моделюють роботу матеріалу конструкції у високотемпературних газових потоках.

Проведено аналіз термонапружено-деформівного стану клиновидних зразків при термовтомному навантаженні у випадку виникнення дефектів типу тріщин із залученням математичного апарату механіки руйнування.

Показано, що виникнення і поширення термовтомних тріщин у матеріалі екстремально навантажених зон супроводжується істотною зміною термонапруженого стану практично всього зразка.

Знайдено близькі до порогових значення коефіцієнтів інтенсивності напружень, що відповідають моменту досягнення тріщиною швидкостей біля 10-4... 10-5 мм/цикл. Запропонована емпірична залежність, що встановлює взаємозв'язок порогових значень КІН, коефіцієнта асиметрії циклу і характерного геометричного параметра зразка.

Показано, що результати розрахунків станів матеріалів у широкому діапазоні термоциклічних навантажень не виявляють однозначного кореляційного зв'язку КІН з експериментальними даними про кінетику термовтомних тріщин і параметрами теплового і напружено-деформівного стану.

Ключові слова: термічна втома, тріщина, чисельне моделювання, термонапружений стан, жароміцний сплав.

Задворный Е.А. Закономерности развития трещин термической усталости в жаропрочных сплавах при неоднородном термонапряженном состоянии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04. - механика деформируемого твердого тела. Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, 2000.

Разработан и обоснован подход к оценке живучести элементов конструкций, в частности, лопаток ГТД, работающих в условиях воздействия высокотемпературного газового потока при циклическом изменении неоднородных полей температур и напряжений.

Осуществлена обработка экспериментальных данных по кинетике трещин термической усталости в жаропрочных сплавах лопаток газотурбинных двигателей и клиновидных образцов, моделирующих работу материала конструкции в высокотемпературных газовых потоках.

Проведен анализ термонапряжённо-деформированного состояния клиновидных образцов при термоциклическом нагружении в случае возникновения дефектов типа трещин с привлечением математического аппарата механики разрушения.

Показано, что возникновение и рост термоусталостных трещин в материале экстремально нагруженных зон сопровождается существенным изменением термонапряженного состояния практически всего образца.

Найдены близкие к пороговым значения коэффициентов интенсивности напряжений, соответствующие моменту достижения трещиной скоростей порядка 10-4...10-5 мм/цикл. Предложена эмпирическая зависимость, удовлетворительно описывающая взаимосвязь пороговых значений КИН, коэффициента асимметрии цикла и характерного геометрического параметра образца.

Показано, что результаты расчетов состояний материалов в широком диапазоне термоциклических нагрузок не обнаруживают однозначной корреляционной связи КИН с экспериментальными данными по кинетике термоусталостных трещин и параметрами теплового и напряжённо-деформированного состояния.

Ключевые слова: термическая усталость, трещина, численное моделирование, термонапряженное состояние, жаропрочный сплав.

Zadvornyy Y.A. Regularities in the Propagation of Thermal Fatigue Cracks in Heat-Resistant Alloys at a Nonuniform Thermal Stress State. - Manuscript.

The thesis submitted for a scientific degree of a Candidate of technical sciences in speciality 01.02.04. - mechanics of a deformable solid body. Institute for Problems of Strength of the National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2000.

Analysis has been made of the known experimental data on thermal-fatigue crack kinetics in heat-resistant alloys obtained on gas-turbine engine blades and wedge-shaped specimens simulating the operating conditions of the material of a structure in high-temperature gas flows and tested under conditions simulating non-stationary regimes of gas turbine operation. The results of the analysis revealed that thermal-fatigue cracks in gas-turbine engine blades and on wedge-shaped specimens tend to decelerate their growth when penetrating into the thicker part of the specimen.

Wedge-shaped models fabricated from heat-resistant alloys ChS7O, EI826, and ZhS6U that simulate near-edge zones of gas-turbine blades were chosen as an object of the investigation. Variation of the specimen size (edge radius, divergence angle and chord length) provides for obtaining a broad spectrum of temperatures and thermal stresses in one cycle of gas-flow temperature variation.

Investigations of thermal and stress-strain states of the material on defect-free and cracked specimens under thermal fatigue loading involving mathematical methods of fracture mechanics were performed in a three-dimensional formulation with the use of a software package based on the finite element method.

Numerical experiments were performed on wedge-shaped specimens under boundary conditions of cyclic thermal loading simulating the service ones. It has been shown that, as applied to structural elements such as GTE blades, the calculation of the thermal stress-strain state of practically any zone and analysis of the processes of material damaging with comparable ratios of the height to determining sizes of the specimen profile section (~L/H > 1/2) should be performed using the methods and software for solving problems in non-linear three-dimensional formulation. In this case, the conditions of stabilization of temperature distribution through the bulk of the object of the investigation in a cycle must be satisfied.

The results of the investigation into the influence of a network of thermal fatigue cracks on the stress state of the blade edge material show that as the character of the edge stress state changes from plane strain to plane stress redistribution of stresses occurs along the specimen section.

Comparison of the calculated data on the influence of the coating on the stress state of the base material and the experimental data on crack kinetics in specimens with coatings revealed that deposition of coatings lowers the level of the base-material loading and reduces the intensity of stresses at the crack tip.

Analysis has been performed of the thermal stress-strain state of wedge-shaped models under thermal fatigue loading using mathematical apparatus of fracture mechanics. It has been shown that the maximum values of the stress intensity factor (SIF) may not correspond to the instants of generation of the maximum tensile stresses.

Based on the investigations performed, an approach to the evaluation of life of structural elements with cracks, GTE blades in particular, operating under conditions of exposure to a high-temperature gas flow under conditions of cyclic variation of nonuniform temperature and stress fields has been developed and justified.

The results of the calculations of the material states in a wide range of thermal cyclic loads do not allow us to detect an unambiguous correlation relationship of the SIF with the experimental data on the kinetics of thermal fatigue cracks and the parameters of thermal and stress-strain states. The extreme of the SIF are observed at monotonic variation of the crack propagation rate and corresponding changes in thermal stresses.

The values of the stress intensity factors close to the threshold ones have been found, which correspond to the instant where the crack rate reaches the values of about 10-4 - 10-5 mm/cycle. An empirical relationship has been proposed that describes satisfactorily interrelation among threshold values of the SIF, stress ratio in a cycle, and a characteristic geometrical parameter of a specimen.

Keywords: thermal fatigue, crack, numerical modeling, thermal stress state, heat-resistant alloy.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Експлуатація практично будь-якої конструкції на певній стадії відбувається за наявності тріщин, що зароджуються в місцях концентрації напруг, викликаних неоднорідністю матеріалу конструкції, технологічними, конструкційними та експлуатаційними чинниками. Їхня поява свідчить про деяку міру пошкодження матеріалу та у багатьох випадках не призводить до вичерпання несучої спроможності конструкції. Повною мірою це стосується і значної частини елементів конструкцій стаціонарних і транспортних енергетичних установок. Як показує статистичне опрацювання відмов газотурбінних двигунів (ГТД), а також дефектація окремих елементів під час періодичних оглядів у процесі експлуатації, основна частка пошкоджень припадає на елементи гарячої частини. Так, у ГТД 60% пошкоджень припадає на лопатки статора і ротора турбіни, 24% - на камери згоряння. Вельми характерним пошкодженням є поява тріщин термічної втоми, що виникають внаслідок циклічної дії нестаціонарних полів температур і термічних напруг по об'єму деталей при швидких змінах режимів навантаження.

Наявність дефектів типу тріщин є практично єдиним критерієм дефектації та необхідності заміни пошкоджених деталей. Як підтверджує практика, працездатність елементів конструкцій зберігається за наявності тріщин певних розмірів. У зв'язку з цим набуває принципового значення встановлення реального залишкового ресурсу при гарантованій надійності. Якщо врахувати, що в найближчі роки величезний парк енергетичних машин, принаймні на території СНД, відпрацює свій установлений ресурс, то стає очевидною актуальність розробки методів оцінки міцності і живучості елементів енергетичного устаткування з тріщинами.

В останні десятиріччя активний розвиток аналітичних та чисельних методів механіки руйнування паралельно з розвитком комп'ютерної техніки дозволили ефективно застосовувати на практиці розроблені методи оцінки живучості. Проте для елементів конструкцій, що працюють в умовах складного просторово-часового термонапруженого стану (ТНС), ця проблема практично залишається відкритою. Це обумовлено тим, що більшість методик і підходів до оцінки живучості грунтується на зіставленні напруженого стану елемента конструкції і зразка простої форми, для якого відомі точні рішення, або на наближених методах врахування напруженого стану матеріалу елемента конструкції.

Таким чином, детальне дослідження впливу термовтоми на кінетику тріщин в елементах конструкцій транспортного та енергетичного машинобудування, а отже, на їхню живучість і ресурс у цілому, є актуальним і потребує глибокого експериментально-теоретичного аналізу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу було виконано в рамках бюджетних тем 1.3.4.106 "Дослідження термовтомного та корозійного пошкодження жароміцних сплавів і композиційних матеріалів з направлено орієнтованою структурою під дією термоциклічного навантаження в газовому потоці та розробка методів оптимізації елементів конструкцій із них за критеріями міцності" та 1.3.4.222 "Експериментальне та аналітичне дослідження кінетики тріщин термічної втоми в жаростійких композиційних конструкціях при неоднорідному термонапруженому стані" НАН України (Інститут проблем міцності), науково-технічного проекту 04.03/01869 "Створення методів та програмних засобів для розрахунків на міцність та довговічність елементів конструкцій з тепло- та корозійностійкими захисними покриттями для транспортних енергетичних машин" Державної науково-технічної програми досліджень, проекту 1.4/243 "Розробка та обгрунтування методів фізичного та математичного моделювання ТНДС та кінетики пошкодження термонавантажених систем із матеріалів з направлено формованою структурою" Державного фонду фундаментальних досліджень.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці і науковому обгрунтуванні підходів до оцінки живучості елементів конструкцій, зокрема лопаток ГТД, що працюють в умовах циклічної зміни неоднорідних полів температур і термічних напруг.

Базовими для досягнення зазначеної мети були експериментально-розрахункові дані з кінетики тріщин термічної втоми і термонапружено-деформований стан (ТНДС) матеріалу зразків, що моделюють роботу елемента конструкції у високотемпературних газових потоках, і математичний апарат механіки руйнування.

Для розв'язання поставленої задачі необхідно було:

- провести аналіз відомих експериментальних даних з кінетики тріщин термічної втоми і визначити вплив на неї конструкційних і технологічних чинників; сплав газотурбінний двигун

- зробити вибір і провести тестування інженерних пакетів програм і здійснити їх адаптацію для оптимального врахування особливостей розв'язання задач нестаціонарної теплопровідності, визначення напружено-деформованого стану і параметрів механіки руйнування під час аналізу результатів досліджень на газодинамічних стендах;

- кількісно оцінити вплив на ТНДС зразка тріщин термічної втоми в процесі їх поширення;

- оцінити допустимість використання методів лінійної механіки руйнування для опису поведінки тріщин термічної втоми;

- визначити значення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) на різних стадіях поширення термовтомних тріщин, в тому числі близькі до порогового, для конкретних матеріалів;

- виявити можливий взаємозв'язок між параметром механіки руйнування і ТНДС стосовно конкретних типів зразків.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено розрахунково-експериментальну методику оцінки впливу параметрів термовтомного навантаження на кінетику тріщин термічної втоми.

Досліджено вплив тріщин термічної втоми, що виникають у процесі термовтомних випробувань, на напружений стан матеріалу зразка.

Показана можливість застосування лінійної механіки руйнування для подальшого опису поведінки тріщин термічної втоми залежно від ТНС матеріалу і довжини тріщини. Обгрунтовано можливість використання цих методів для оцінки живучості елементів конструкцій ГТД із достатньою для практичного використання точністю.

Отримано близькі до граничних значення КІН для тріщин термічної втоми і встановлено їх зв'язок із ТНС досліджуваних матеріалів.

Досліджено вплив жаростійких покриттів на ТНС матеріалу зразка і величину КІН. Показано істотний вплив температури нанесення покриттів на ТНС матеріалу основи.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено і обгрунтовано методику розрахунково-експериментальної оцінки залежності кінетики тріщин термічної втоми від ТНС матеріалу, що працює в умовах впливу циклічних неоднорідних полів температур і напруг, які виникають в елементах ГТД під час експлуатації на змінних режимах.

Показано необхідність застосування під час аналізу ТНС матеріалу і оцінки живучості елемента конструкції типу лопатки ГТД із тріщинами термічної втоми розрахункових методів у тривимірній постановці.

Для двох типів турболопаточних матеріалів, які застосовуються у сучасних ГТД, отримані значення КІН на різних стадіях поширення термовтомних тріщин, а також КІН, близькі до граничних або відповідні моментам досягнення тріщиною швидкостей біля 10-4...10-5 мм/цикл, у залежності від ТНС матеріалу і параметрів циклу термічного навантаження.

Отримані результати і запропонована методологія можуть надалі знайти застосування під час оцінки живучості і ресурсу елементів транспортного і енергетичного машинобудування, зокрема, лопаток статорної і роторної частини газових турбін.

Особистий внесок здобувача. З використанням методів чисельного моделювання проведено дослідження закономірностей впливу тріщин термічної втоми на напружений стан клиновидних зразків.

Досліджено вплив покритів на ТНС матеріалу основи і показано суттєвість впливу на нього температури формування системи "основа-покриття".

Розроблено методику оцінки КІН у вершині тріщини, що розвивається в матеріалі елемента конструкції при циклічному впливі нестаціонарних полів температур і напруг, і проаналізовано взаємозв'язок ТНС матеріалу з кінетикою тріщин.

Для різних жароміцних матеріалів отримані величини КІН у вершині тріщини на різних стадіях поширення термовтомних тріщин у залежності від ТНС матеріалу в циклі, включаючи їх порогові значення.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародному семінарі "Функциональные градиентные композиты" (Київ, 12 - 15 травня 1998 р.); на третьому міжнародному конгресі "Thermal Stresses '99" (Краків, Польща, 13 - 17 червня 1999 р.); на другій міжнародній конференції "Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій" (Львів, 14 - 16 вересня 1999 р.); на міжнародній конференції "Оцінка і обгрунтування ресурсу елементів конструкцій" (Київ, 6 - 9 червня 2000 р.), на наукових семінарах Інституту проблем міцності НАН України.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 наукових праць. Кількість основних публікацій у спеціалізованих виданнях, перелік яких затверджено ВАК України, складає 3.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, бібліографії з 183 назви і викладена на 133 сторінках машинописного тексту, містить 65 рисунків, 1 таблицю.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність і мету роботи, відзначена наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведена стисла характеристика роботи, сформульовані основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі подано літературний огляд з дослідження закономірностей і механізмів пошкодження матеріалу елементів конструкцій, що зазнають впливу циклічних теплозмін. Розглянуто чинники, які визначають характер дії і рівень термічних навантажень, методи аналізу теплового і напружено-деформованого стану (НДС) матеріалу, а також методи оцінки параметрів механіки руйнування. Наведено стислий аналіз функціональних можливостей різних програмних комплексів, що застосовуються для розрахунків елементів конструкцій.

Аналіз літературних джерел показує, що за методами дослідження пошкоджень елементів конструкцій, що здійснюються з використанням різних методик, які відрізняються особливостями як за принципами нагріву і механічного навантаження, так і за типами зразків, випробування можна розподілити на дві групи. До першої групи можна віднести випробування на установках типу Коффіна при термоциклюванні плоских, трубчастих, циліндричних зразків із змінною жорсткістю системи навантаження. Методи випробувань другої групи дозволяють моделювати напружений стан деталей на зразках, близьких до них за формою в умовах, наближених до реальних умов експлуатації. Під час проведення термовтомних випробувань на зразках, що моделюють стан матеріалу конструкції в реальних експлуатаційних умовах, термомеханічне навантаження матеріалу характеризується значною просторово-часовою неоднорідністю ТНДС, а також проявом цілого ряду супутніх чинників, що впливають на пошкоджуваність матеріалу в процесі експлуатації.

Відзначено, що дослідженню закономірностей деформування і руйнування матеріалів і елементів конструкцій під час проведення термовтомних випробувань присвячені роботи Л.Ф. Коффіна, С.С. Менсона, Р.А. Дульнєва, Л.Б. Гецова, Г.А. Тулякова й інших авторів. У значній мірі розвиток досліджень довговічності і пошкоджуваності матеріалу елементів конструкцій в умовах, максимально наближених до експлуатаційних, знайшов відображення у роботах школи Г.С. Писаренка - В.Т. Трощенка - Г.М. Третьяченка. В Інституті проблем міцності НАН України була створена експериментальна база і розроблені методи моделювання еквівалентних станів матеріалу натурних елементів конструкцій. Накопичено значний об'єм інформації про закономірності виникнення і поширення тріщин термічної втоми в лопатках із хромонікелевих сплавів при різних програмах термічного навантаження. При цьому слід зазначити, що якісною ознакою критичного пошкодження матеріалу або елемента конструкції в основному була тріщина термічної втоми.

Спроби використовувати одержувану інформацію з кінетики термовтомних тріщин і ТНДС моделі для оцінки живучості конструкції або параметрів тріщиностійкості матеріалу, як правило, наштовхувалися на труднощі опису кінетики стану матеріалу у вершині тріщини в нестаціонарному і неоднорідному полі температур і напруг. Складність опису процесів, що відбуваються, а також відсутність аналітичних рішень для тіл із складною геометричною формою при комбінованому навантаженні роблять проблематичною можливість використання для розв'язання цих задач відомих експериментальних і розрахункових методів урахування дефектів типу тріщин. У цьому плані слід зазначити ряд робіт, присвячених експериментальним і розрахунковим методам оцінки КІН в елементах ГТД, що грунтуються на припущенні про можливість зіставлення напруженого стану елемента конструкції і зразка простої форми або на наближених методах урахування напруженого стану елемента конструкції шляхом виключення ряду чинників, властивих визначеному виду навантаження і фізико-механічним властивостям матеріалу. Різні аспекти таких підходів знайшли відображення у роботах В.Т. Трощенка, А.В. Прокопенка, Г.М. Третьяченка, Л.Б. Гецова і М.Г. Кабелевского, А.О. Чернявського, H.Y. Lee, R.M. Pedrazzoli, M.O. Speidel, K. Kokini, D.A. Wagner. Також слід відзначити роботи В.В. Панасюка, А.Е. Андрейківа, В.З. Партона, Е.М. Морозова, Г.С. Кіта, E.N. Jordan і G.J. Mevers, F. Oliveira, Matsunaga Yasuhiro, Noda Naotake, B.D. Choules, у яких розглядаються різні аспекти впливу температури на поширення втомних тріщин.

У більшості відомих підходів до розрахунку КІН в елементі конструкції, що зазнає циклічного впливу високих температур, визначальним є припущення про просторово-часову стабільність характеру зміни КІН і ТНДС матеріалу в елементі конструкції у вершині тріщини, в тому числі в неізотермічних процесах. При цьому слід зауважити, що сучасні пакети програм, що базуються на різних модифікаціях методу скінчених елементів (МСЕ) і методу вагових функцій, дозволяють із певним наближенням оцінити КІН у реальних елементах конструкцій з урахуванням всього спектру навантажень.

У другому розділі розглянуто об'єкти дослідження і специфічні особливості експериментальних і розрахункових методик, що проаналізовані в рамках даної роботи. Наведено опис обраних пакетів програм і результати розрахунків тестових задач з оцінки точності і достовірності інформації, що отримується. Описано вплив способу завдання крайових умов термічного навантаження на результати розрахунку ТНДС зразка в різних постановках.

Показано, що серед можливих методів розрахунку клиновидних зразків, які моделюють локальний напружений стан кромок реальних лопаток ГТД, зважаючи на суттєву просторову і часову неоднорідність теплового і НДС матеріалу, найкращим є МСЕ, який одержав широке поширення та надійну апробацію в інженерній практиці та наукових дослідженнях.

Для розв'язання поставленої задачі було проведено аналіз функціональних можливостей відомих розрахункових програмних комплексів з урахуванням необхідності розв'язання нестаціонарної задачі теплопровідності з просторовою і часовою неоднорідністю, нелінійністю першого і другого роду, можливості визначення КІН у вершині тріщини, а також можливості адаптації окремих модулів пакета стосовно особливостей поставленої задачі.

Вибір пакета програм здійснювався серед відомих нині інженерних програмних комплексів, створених у різних центрах з розробки розрахункового програмного забезпечення і визнаних у світовій практиці, а також створених окремими авторами. На момент початку досліджень серед відомих і доступних для одержання розрахункових пакетів було обрано два: "Makro-Kroky" - розрахунок ТНДС елементів конструкцій у двовимірній постановці; "SPACE" - розрахунок просторового ТНДС елементів конструкцій з урахуванням пластичних деформацій по теорії малих пружно-пластичних деформацій, а також визначення КІН у вершині тріщини (автор С.В. Кобельський, Інститут проблем міцності НАН України). Обидва пакети грунтуються на МСЕ. Вибір був здійснений шляхом аналізу різних програмних комплексів з урахуванням зазначених вище вимог із сутності розв'язуваної задачі, а також виходячи з таких чинників: точності оцінок і достовірності результатів, швидкодії, простоти використання, вартості.

Оскільки точність результатів з визначення ТНДС у пакеті "SPACE" перевірялась його автором на численних тестових задачах, що поставляються в складі пакету, був проведений ряд розрахунків з визначення точності одержуваної інформації на обраних типах зразків. Для цього змінювалися параметри скінченноелементної моделі і варіювався розмір кроку в часі. Точність результатів із визначення КІН з урахуванням температурного градієнту оцінювалась за результатами розрахунку пластини з тріщиною при граничних умовах першого роду, розглянутої Ю. Муракамі. Точність результатів коливається в межах 0,3...7,0% в залежності від побудови сіткової моделі.

На стадії тестування вибраних пакетів був проведений детальний аналіз впливу задання граничних і початкових умов термічного навантаження на результати розрахунку ТНДС у різноманітних постановках. Показано, що при проведенні розрахунків у задачі циклічного термонавантаження у випадку нестаціонарного теплообміну для аналізу теплового і НДС необхідно виконувати поциклові розрахунки і використовувати результати, що характеризують цикл навантаження, на якому відбувається стабілізація градієнту температурного розподілу. Дане твердження справедливе також для випадку, коли початкові умови визначаються в результаті рішення стаціонарної задачі теплопровідності з граничними умовами першого роду в момент початку розрахунку.

Порівняльний аналіз результатів, які отримані з використанням вибраних пакетів програм, показав добрий збіг результатів як з визначення теплового, так і НДС зразка: розбіжність результатів не перевищувала 1...1,5%. Особлива увага приділялась різним схемам розв'язування поставленої задачі, а також можливості поетапного підходу під час одержання кінцевого результату. Принциповим етапом є виділення просторових фрагментів для визначення ТНДС навколо тріщини.

Обгрунтовано необхідність застосування тривимірного моделювання під час опрацювання експериментальних даних, що зумовлено складним характером просторово-часового ТНДС моделі з урахуванням тріщин термічної втоми, які виникають на різній висоті по кромці моделі, а також необхідністю оцінки крайових ефектів біля зовнішніх поверхонь.

У третьому розділі розглянуто методи ідентифікації та аналізу результатів експериментального дослідження кінетики тріщин термічної втоми. Проведено аналіз характерних режимів термовтомних випробувань лопаток і клиновидних зразків на газодинамічному стенді, методів виявлення і оцінки кінетики тріщин, їх впливу на НДС матеріалу кромки лопаток ГТД і клиновидних зразків.

Як вихідна інформація під час розв'язання поставленої задачі були використані дані про закономірності поширення тріщин термічної втоми, отримані і відображені в публікаціях і дисертаційних роботах Л.В. Кравчука, Р.І. Куріата, Г.Р. Семенова, К.П. Буйських, виконаних під керівництвом Г.М. Третьяченка. Основна частина результатів отримана на клиновидних зразках, які моделюють ТНС матеріалу кромки лопаток турбіни, випробуваних на режимах, що імітують реальні режими роботи ГТД. У ході випробувань були використані клиновидні зразки з радіусами закруглення кромки R = 0,2 і 0,7 мм., кутом розхилу клина 15 і 30, хордами L = 20...57 мм і висотою моделі 80 мм.

У зв'язку з цим виникла необхідність кількісно оцінити з використанням вибраних розрахункових пакетів реальні умови стендових випробувань і значимість чинників, які зумовлюють специфіку термічного навантаження у швидкісних газових потоках для зазначених методик моделювання. До чинників, яким приділяється основна увага у зв'язку з їх потенційно великим впливом на ТНДС, належать конструкційні - геометричні параметри зразка, технологічні - наявність покриттів і експлуатаційні - наявність дефектів типу тріщин.

Під час виконання роботи були розглянуті результати термометрування клиновидних зразків, виготовлених із жароміцних хромонікелевих сплавів ЧС 70, ЭИ 826, ЖС 6У, які отримали розповсюдження при виготовленні лопаток ГТД.

Для ідентифікації умов термічного навантаження були розглянуті результати термометрування клиновидних зразків різних розмірів під час випробувань на декількох режимах. За результатами термометрування шляхом рішення прямої та оберненої задач теплопровідності для фіксованих моментів часу були визначені граничні умови третього роду. Методами екстраполяції та інтерполяції були побудовані узагальнені розподіли коефіцієнтів теплообміну, як основного параметра граничних умов 3 роду, по поверхні розглянутих моделей для різних інтервалів часу відповідних циклів термічного навантаження на газодинамічному стенді. Варіюванням коефіцієнтів теплообміну були враховані конструктивні особливості випробувального комплексу, зокрема, специфіка формування газового потоку в певні моменти часу напівциклів нагріву і охолодження. Ці розподіли і експериментальні дані про зміну температури газового потоку в циклі були базовими для проведення чисельного моделювання.

Для кількісної оцінки впливу розмірів моделі на ТНДС матеріалу при подібних граничних умовах було проведено чисельне моделювання різних варіантів термічного навантаження з використанням моделей змінної геометрії, які застосовувалися під час стендових випробувань.

Показано, що зразкам із меншим радіусом закруглення кромки властиві більш високі швидкості нагріву і охолодження матеріалу, а також більш високі рівні напруг. Зі зміною довжини хорди клина тепловий стан кромки практично не змінюється. Зразкам із більшою хордою властиві більш високі напруги. При аналізі впливу співвідношення довжини хорди до висоти моделі встановлено, що тільки при L/H < 1/2 і тільки в серединній площині досягається плоский деформований стан, причому із зменшенням цього значення зона плоскої деформації розширюється. Отже, застосування плоских пакетів для розрахунку НДС обмежено співвідношенням L/H < 1/2, коли отримані результати будуть достовірними. В усіх інших випадках під час аналізу кінетики ТНДС матеріалу по висоті кромки клина обов'язкове застосування тривимірного пакета програм.

Результати експериментальних досліджень показують, що характер виникнення і поширення тріщин із застосування жаростійких теплозахисних покриттів змінюється. У зв'язку з цим для аналізу закономірностей поширення тріщин у матеріалах із покриттями проведена оцінка впливу геометрії покриття і технології його нанесення на ТНДС матеріалу. Отримані результати свідчать, що застосування покриттів, зокрема, двошарової композиції із зовнішнім керамічним прошарком ZrO2 завтовшки 200 мкм і підшарком Co-Cr-Al-Y завтовшки 50 мкм., призводить до істотної зміни рівня термічних напруг в основі, і значно менше впливає на тепловий стан кромки. При цьому поля залишкових технологічних напруг, основного фактору впливу на НДС, істотно залежать від технології нанесення покриття.

Дані експериментальних досліджень свідчать, що термічна втома на першій стадії проявляється у вигляді сітки дрібних тріщин на кромці моделі. В процесі подальшого термоциклювання відбувається поширення однієї - трьох магістральних тріщин. Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що серединній області зразка властиві більші швидкості поширення і глибини проникнення тріщин.

Розв'язана задача про напружений стан матеріалу зразка з одним і двома надрізами, що моделюють реальні дефекти, при варіюванні відстані між надрізами. Розрахунок, що був проведений для випадку виникнення однієї тріщини в серединній площині і двох тріщин, одна з яких знаходилась в серединній площині, а друга на деякій висоті паралельно першій, показав, що виникнення тріщин призводить до зниження рівня розтягуючих напруг на кромці клина. На підставі отриманих результатів зроблено висновок, що виникнення сітки коротких тріщин призводить до перерозподілу напруг на кромці зразка, наближаючи напружений стан непошкодженої частини кромки від плоского деформованого до плоского напруженого. При цьому глибина поширення дефекту практично не впливає на напружений стан у серединній площині. Ріст тріщин супроводжується перерозподілом напруг у всьому об'ємі матеріалу, зміщуючи асиметрію циклу в область стискуючих напруг. Поширення декількох макротріщин призводить до значного зменшення напруг на кромці, при яких виникнення нових тріщин спостерігатися не буде, у всякому разі, на істотно великих базах випробувань, що розглядались в роботі.

У четвертому розділі проведено аналіз експериментальних даних і розглянуто характерні закономірності кінетики тріщин термічної втоми. Проаналізовано можливість застосування лінійної механіки руйнування для даного класу задач і матеріалів, що розглядаються. Виконано розрахунки з визначення ТНДС бездефектних зразків і зразків із тріщинами, обчислені КІН на різних стадіях поширення тріщини в залежності від теплового і НДС матеріалу зразків, що досліджувались.

Розрахунок КІН у програмному комплексі "SPACE" грунтується на підходах з визначення енергетичного інтеграла методом еквівалентного об'ємного інтегрування стосовно до обчислення по МСЕ. У розрахунках з визначення коефіцієнта інтенсивності напружень у вершині термовтомної тріщини в клиновидному зразку прийняті такі допущення:

- тріщина утворена двома ідеально гладкими поверхнями, процеси окислення і корозії берегів тріщини не враховуються;

- простір, обмежений берегами тріщини, є ідеальним провідником тепла: це означає, що теплові поля бездефектного зразка і зразка з тріщиною абсолютно ідентичні;

- фронт тріщини описується відрізком прямої, оскільки результати фрактографічного аналізу зразків із тріщинами показують, що фронт має незначне скруглення в зоні її виходу на поверхню зразка; отже, зазначене спрощення в даному випадку не вплине суттєво на результати.

У півциклі нагріву, коли під дією стискаючих напруг відбувається закриття тріщини, розрахунок проводиться для бездефектного зразка. Розрахунок КІН по фронту тріщини показує, що максимальні значення коефіцієнта досягаються на серединній лінії перерізу клина, а ближче до поверхні відбувається деяке зниження цих значень.

Для проведення розрахунків КІН по знайдених граничних умовах третього роду для клиновидних зразків конкретних розмірів і режимів циклічного навантаження, для яких існувала інформація про тріщини, визначалася кінетика ТНДС. Для сплаву ЭИ 826 отримані результати як в пружній постановці, так і з урахуванням пластичних деформацій методом змінних параметрів пружності.

Вплив поширення тріщини на напружений стан зразка на першому етапі було розглянуто в наближеній постановці. Розрахунок здійснювався з припущенням, що НДС непошкодженої частини клина, обмеженої фронтом тріщини, визначається температурним розподілом тільки в цій зоні, а відсічена частина не впливає на НДС решти матеріалу. Як показали розрахунки, поширення тріщини супроводжується перерозподілом напруг у всьому об'ємі матеріалу і призводить до розширення зони дії розтягуючих напруг.

Оскільки діапазон діючих поблизу тріщин термічних напруг досить широкий, необхідно було оцінити допустимість застосування для даного класу задач методів лінійної механіки руйнування. Виходячи з припущення, що лінійна механіка руйнування застосовується у випадку малих зон пластичних деформацій у вершині тріщини в порівнянні з розмірами самої тріщини і характерними розмірами зразка, були розраховані зони пластичності. Розрахунок зон було проведено за наближеною формулою механіки руйнування з використанням коефіцієнта інтенсивності напружень і границі текучості матеріалу з припущенням, що максимальні значення коефіцієнтів інтенсивності напружень відповідають максимальним рівням напруг у півциклі охолодження, а також за теорією малих пружно-пластичних деформацій. У даній задачі розмір зони пластичності був співвіднесений із довжиною тріщини і товщиною зразка у вершині тріщини. Припускалось, що лінійна механіка руйнування може бути застосована, якщо дані співвідношення набувають значень менших 0,1.

Незначне перевищення згаданої величини спостерігалося лише в сплаві ЭИ 826 для деяких варіантів напружених станів при порівняно малих розмірах тріщин і великих швидкостях їх поширення. Основним завданням було порівняння КІН з параметрами циклу навантаження в момент досягнення тріщиною швидкості біля 10-4 мм/цикл. Показано, що застосування пружного розрахунку в межах лінійної механіки руйнування для даного класу задач стосовно довгих тріщин на етапах їх гальмування і зупинки цілком виправдане. У ході наступних досліджень коефіцієнта інтенсивності напружень на різних стадіях поширення тріщини розглядалися дефекти довжиною понад 1 мм.

З метою виявлення закономірностей поширення і зупинки тріщин термічної втоми в залежності від термонапруженого стану матеріалу були розраховані коефіцієнти інтенсивності напружень для певних моментів часу в циклі як функція довжини дефекту. Було зроблено порівняння розрахункових даних довжин тріщин з даними, отриманими в результаті експерименту для різних матеріалів і режимів випробувань і побудовані діаграми поширення термовтомних тріщин. За момент зупинки тріщини в даному дослідженні прийнято досягнення нею швидкості біля 10-4 10-5 мм/цикл. Результати розрахунку КІН для зразків із сплаву ЖС 6У показують, що при однакових ТНДС матеріалу поблизу вершини тріщини її зупинка відбувається при практично однакових значеннях КІН. Характер зміни коефіцієнта інтенсивності в залежності від довжини тріщини має тенденцію до підростання на початкових етапах поширення тріщини і монотонного спадання при подальшому поширенні.

Порівняння розрахункових і експериментальних даних показало, що характер зміни КІН, що відповідають моментам зупинки тріщини, корелює із характером зміни напруг у циклі навантаження.

Аналіз впливу покриттів на величину коефіцієнта інтенсивності напружень проводився для зразків із рівними габаритними розмірами з покриттям і без нього. Показано, що застосування двошарової теплозахисної композиції ZrO2/Co-Cr-Al-Y призводить до зменшення значень коефіцієнта інтенсивності напружень.

Для виявлення залежності близьких до порогових коефіцієнтів інтенсивності напружень від теплового і напруженого стану матеріалу зразка були використані узагальнені величини максимальних значень коефіцієнтів інтенсивності в циклі навантаження під час просування тріщини в зразках різних типорозмірів. Визначальним параметром при побудові кривих КІН, близьких до поргових (Kthу), було вибрано значення температури поблизу вершини тріщини. В результаті були отримані дві криві, які відповідають моментам зупинки тріщин для різних величин асиметрії циклу.

Отримані криві добре описуються за допомогою залежності, що враховує асиметрію циклу навантаження і геометричні параметри клиновидного зразка:

де R - коефіцієнт асиметрії циклу, L - довжина хорди клина, h - ширина фронту тріщини, K0 - коефіцієнт, що враховує властивості матеріалу.

Дана залежність дозволяє описати коефіцієнт інтенсивності напружень, що відповідає моменту зупинки тріщини при термовтомному навантаженні в клиновидних зразках у залежності від температури матеріалу, коефіцієнта асиметрії циклу і геометричного фактора моделі.

Висновки

1. Розроблена методологія вирішення у тривимірній постановці комплексу задач теплопровідності, термопружності і механіки руйнування для складних елементів конструкцій типу лопаток турбін, яка дозволила провести всебічне дослідження кінетики тріщин термічної втоми в умовах складного просторово-часового термоциклічного навантаження в залежності від особливостей зміни термонапруженого стану матеріалу в процесі поширення тріщин.

2. З використанням розробленої методології для модельних елементів лопаток вивчені закономірності поширення тріщин термічної втоми і отримані систематизовані дані з діаграм росту термовтомних тріщин, які суттєво відрізняються від традиційних кривих росту втомних тріщин наявністю ділянок затухаючого розвитку тріщин, характер і тривалість яких визначають довговічність деталей та мають складну залежність від комбінації великої кількості чинників різної природи.

3. У результаті проведення чисельних експериментів для граничних умов циклічного теплового навантаження, що моделюють експлуатаційні, стосовно елементів типу лопаток ГТД показано, що проведення розрахунків на міцність і аналіз процесів ушкодження матеріалу при сумірних співвідношеннях висоти і визначальних розмірах перетину профілю (~L/H > 1/2) ТНДС практично будь-якої зони необхідно визначати з використанням методів і програмних засобів розв'язування задач у нелінійній просторовій постановці з обов'язковим дотриманням умов стабілізації температурних розподілів по об'єму досліджуваного об'єкта в циклі .

4. Показано, що виникнення і поширення термовтомних тріщин у матеріалі екстремально навантажених зон супроводжується істотною зміною термонапруженого стану практично всього зразка (деталі). Збільшуються області небезпечних розтягуючих напруг. На кромці реалізується плоский напружений стан матеріалу. Це дозволяє стверджувати про зменшення небезпеки виникнення на кромках у розглянутому діапазоні термічних навантажень на базі 103 104 циклів нових тріщин і локалізацію процесів ушкодження в області 1 - 2 магістральних тріщин.

5. Аналіз результатів всього циклу дослідження кінетики ТНДС матеріалу елементів типу лопаток ГТД на різних стадіях виникнення та поширення термовтомних тріщин переконує, що застосовувати методи механіки руйнування, які припускають використання даних про ТНДС матеріалу, отриманих без урахування впливу тріщин, треба дуже обережно. Їхнє застосування для оцінки живучості елементів конструкцій із термовтомними тріщинами потребує істотного додаткового обгрунтування і перевірки коректності оцінок.

6. Результати розрахунків ТНДС матеріалів у широкому діапазоні термоциклічних навантажень не виявляють однозначного кореляційного зв'язку КІН з експериментальними даними про кінетику термовтомних тріщин і параметрами ТНДС. Спостерігаються екстремуми КІН при монотонних змінах швидкості поширення тріщин і відповідних змінах термічних напруг.

7. Порівняння експериментальних і розрахункових даних про кінетику термовтомних тріщин дозволяє стверджувати про реальність визначення граничних значень КІН або близьких до них в достатньо широкому діапазоні навантажень і температур. Запропонована для розглянутих у роботі матеріалів залежність передпорогових КІН може бути використана для прогнозування живучості за параметрами циклу термічного навантаження.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Задворный Е.А. Расчет пространственного ТНДС клиновидного образца // Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт", Машиностроение, Выпуск 32. - Киев. - 1997. - С. 227 - 231.

2. Исследование термоциклической долговечности покрытий для камер сгорания газовых турбин / Л.В. Кравчук, К.П. Буйских, Г.Р. Семенов, Ю.С. Борисов, Е.А. Задворный // Проблемы прочности. - 1999. - № 1. - С. 60 - 67.

3. Задворный Е.А. Термонапряженное состояние клиновидных образцов при наличии трещин термической усталости // Проблемы прочности. - 2000. - № 2. - С. 62 - 66.

4. Кобельский С.В., Задворный Е.А. Тестирование многослойных композиций посредством постановки численного эксперимента // Nowe kierunki technologii i badan materialowych. - Warszawa (Poland). - 1999. - P. 413 - 417.

5. Кравчук Л.В., Куриат Р.И., Задворный Е.А. Экспериментальное и аналитическое исследование кинетики трещин термической усталости применительно к лопаткам газотурбинных двигателей // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій (випуск 2): В 3-х т. / Під заг. ред. Панасюка В.В. - Том 3. - Львів: Каменяр. - 1999. - С. 138 - 142.

6. Влияние технологических и эксплуатационных факторов на термоциклическую долговечность элементов конструкций с покрытиями / Л.В. Кравчук, Г.Р. Семенов, К.П. Буйских, Е.А. Задворный // Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций: Труды международной конференции "Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций". - Том 1. - Киев: ИПП НАН Украины, изд. "Логос". - 2000. - С. 391 - 396.

7. Kravchuk L.V., Zadvornyy E.A. Investigation of thermal fatigue crack propagation kinetics in heat-resistant materials under conditions of unsteady heat exchange using the methods of experimental and numerical simulation // Third International Cong. on Thermal Stresses. - Cracow (Poland). - 1999. - P. 237 - 240.

Размещено на Allbest.ru

...