Прогнозування довговічності розвитку тріщин до критичних розмірів в жароміцній сталі ЕП517-Ш при сумісному впливі втоми та повзучості

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут проблем міцності Нан України

ім. Г.С.Писаренка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Прогнозування довговічності розвитку тріщин до критичних розмірів в жароміцній сталі еП517-Ш при сумісному впливі втоми та повзучості

Спеціальність: 01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла

Кулішов Сергій Борисович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка Національної академії наук України, м. Київ

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Покровський Володимир Вікторович,

Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

чл.-кор. НАН України

Стрижало Володимир Олександрович,

Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, завідувач відділу

доктор технічних наук, професор,

Гуляр Олександр Іванович

Науково-дослідний інститут будівельної механіки Київського національного університету будівництва та архітектури, головний науковий співробітник

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Загальні тенденції в газотурбобудуванні свідчать про те, що експлуатуючі підприємства все частіше ставлять перед проектантами газотурбінних двигунів (ГТД) питання про необхідність подовження ресурсу, після того як двигуни відпрацювали призначенний проектний ресурс. Разом з тим досвід експлуатації ГТД показує, що не зважаючи на виконання всіх нормативних вимог при проектуванні, в експлуатації більше 70 % руйнувань та відмов пов'язані з руйнуванням від втоми, тобто з появою та розвитком тріщин. Найбільш важкі наслідки аварій пов'язані з руйнуванням дисків, оскільки вони не локалізуються в межах корпусу ГТД.

Як відомо матеріали дисків турбін знаходяться під дією циклічного термосилового навантаження при тривалій роботі в умовах високих температур, що призводить до накопичення пошкоджень від сумісної дії втоми та повзучості. Це, в свою чергу, може призводити до зародження і розвитку тріщин в дискретних та профільних концентраторах напруг під час експлуатації. І якщо максимально розмір початкового дефекту визначається роздільною здатністю засобів дефектоскопії, то тривалість стадії розвитку тріщин до критичних розмірів, залежить від використаного матеріалу, технології його обробки та умов експлуатації.

Отже, при наявності початкових дефектів актуальною є проблема визначення тривалості стадії стійкого розвитку тріщин, поки їх розміри не досягнуть критичних. Вирішення цієї проблеми ускладнюється тим, що в типових концентраторах напруг дисків ГТД місцеві напруження суттєво перевищують умовну межу текучості матеріалу. При таких рівнях напружень критичні розміри тріщин в сучасних жароміцних матеріалах дисків турбін і компресорів знаходяться в діапазоні від десятих долей міліметра до декількох міліметрів.

Водночас відома складність та відсутність надійних методів прогнозування розвитку тріщин в жароміцних сплавах за умов дії втоми та повзучості, тобто статичних та циклічних навантажень з врахуванням довготривалих витримок при максимальному навантаженні в циклі при наявності особливостей напруженного стану, в врахуванням впливу ефекту масштабу.

Все вище сказане свідчить про те, що задача прогнозування довговічності дисків ГТД на стадії докритичного розвитку тріщин є досить актуальною і для її вирішення необхідно залучати розрахунково-експериментальні методи, засновані на застосуванні підходів механіки руйнування, що дозволяють визначити швидкість росту тріщин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є завершеним циклом досліджень, виконаних протягом 2004-2009 р. відповідно до договору №1873-606 від 30.06.2004 г. між ДП НВКГ «Зоря»-«Машпроект» та Інститутом проблем міцності ім. Г.С.Писаренка НАН України та бюджетної НДР №1.3.4.719 "Розробка методів прогнозування впливу попереднього навантаження на характеристики статичної та циклічної тріщиностійкості конструкційних сплавів при змішаних модах деформування в умовах сумісного впливу втоми та повзучості», яка виконувалась у відділі високочастотних методів дослідження міцності та дефектності матеріалів Інституту проблем міцності ім. Г.С.Писаренка НАН України.

Мета та завдання дослідження. Метою дисертації є розробка методики прогнозування швидкості росту тріщин в жароміцній сталі мартенситного класу ЕП517-Ш (12Cr-2Ni-Mo) за умов сумісної дії втоми та повзучості на базі результатів комплексного дослідження впливу температури, масштабного ефекту, форми циклу навантаження на характеристики в'язкості руйнування.

Для досягнення цієї мети в дисертації сформульовані та вирішені наступні завдання:

- дослідити вплив температури та циклічності навантаження на характеристики в'язкості руйнування сталі ЕП517-Ш;

- дослідити вплив температури, масштабного ефекту, форми циклів навантаження на закономірності докритичного розвитку тріщин в умовах сумісного впливу втоми та повзучості;

- дослідити закономірності росту тріщин, що виходять із концентраторів напружень;

- дослідити вплив температури та величини початкового коефіцієнта інтенсивності напружень на довговічність розвитку тріщин до критичних розмірів при тривалому статичному навантаженні;

- експериментально обґрунтувати модель прогнозування впливу масштабу на характеристики в'язкості руйнування при різних напружено-деформівних станах (НДС);

- розробити інженерну методику оцінки періоду докритичного розвитку тріщин з врахуванням впливу втоми та повзучості.

Об'єкт дослідження. Характеристики тріщиностійкості жароміцної сталі мартенситного класу ЕП517-Ш.

Предмет дослідження. Залежність характеристик статичної та циклічної в'язкості руйнування сталі ЕП517-Ш від температури, форми циклу та тривалості навантаження з врахуванням масштабного ефекту.

Методи дослідження. Експериментальне дослідження залежності характеристик статичної та циклічної в'язкості руйнування від температури при різноманітних формах циклу, розмірах зразків і рівнях навантаження, а також з врахуванням наявності концентраторів напружень. Розрахункова оцінка довговічності матеріалу ЕП517-Ш на основі експериментально одержаних характеристик.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше для сталі ЕП517-Ш отримані залежності впливу температур, статичного, тривалого статичного та циклічного з різноманітними формами циклів навантаження на характеристики в'язкості руйнування, на закономірності змін швидкості розвитку тріщин та на термін розвитку тріщин до критичних розмірів;

- розроблено розрахунково-експериментальну методику оцінки значень характеристик в'язкості руйнування сталі ЕП517-Ш для різноманітних НДС і товщин зразків, яка поєднує експериментальне визначення фізичних параметрів матеріалу і розрахункове визначення параметрів напружено-деформівного стану матеріалу в верхівці тріщини методом скінчених елементів;

- експериментально обґрунтована можливість прискореного визначення швидкості росту тріщин втоми (РТВ) при циклічному навантаженні зразків із сталі ЕП517-Ш з високою частотою при температурі 20^оС, що дозволяє прогнозувати швидкість РТВ з врахуванням геометричних розмірів зразків без проведення випробувань при різноманітних температурах і формах циклу навантаження;

- на базі лінійного закону підсумовування швидкості росту тріщин розроблено методику визначення періоду розвитку тріщин до критичних розмірів в сплаві ЕП517-Ш при комбінованому (тривалому статичному та циклічному) навантаженні в широкому діапазоні напружень та температур;

- обґрунтовано діапазон допустимих температур експлуатації дисків ГТД, виготовлених з ЕП517-Ш, при яких забезпечується тривалий термін розвитку тріщин до критичних розмірів, що, в свою чергу, забезпечує рентабельність робіт щодо збільшення ресурсу дисків понад проектний ресурс;

- побудовано номограму, що дозволяє визначити критичні розміри тріщин в дисках ГТД із сталі ЕП517-Ш в залежності від діючих напружень та критичних значень коефіцієнтів інтенсивності напружень, визначених при статичному, тривалому статичному та циклічному навантаженні;

- отримано матрицю впливу температур, рівня початкового навантаження, режимів циклічного та тривалого статичного навантаження на термін розвитку тріщин до критичних розмірів, яка дозволяє обґрунтувати допустимі режими навантаження дисків ГТД із сталі ЕП517-Ш, а також розрахункову методику оцінки тривалості терміну розвитку тріщин до критичних розмірів.

Достовірність основних результатів досліджень і обґрунтованність сформульованних висновків забезпечується використанням стандартизованих лабораторних методів випробувань зразків, використанням апробованих методів і критеріїв механіки руйнувань і задовільним співпадінням результатів розрахунків з результатами випробувань.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати досліджень дозволили розробити розрахункову методику оцінки терміну розвитку тріщини до критичних розмірів в дисках ГТД45-60, дати оцінку допустимої температури експлуатації при заданих режимах навантаження (або при максимально припустимій температурі, визначити допустимий режим навантаження), що забезпечить необхідний термін між двома регламентами (ремонтами), поки тріщина не досягла критичного розміру. Все це дозволяє збільшити проектний призначений ресурс дисків ГТД за критерієм вичерпання технічного ресурсу при забезпеченні одночасно безпечної та рентабельної експлуатації двигуна.

Отримані результати роботи використані на Державному підприємстві НВКГ «Зоря»-«Машпроект» при проектуванні дисків турбіни ГТД45-60, що підтверджується відповідним актом їх впровадження.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- виконано аналіз результатів комплексного дослідження впливу експлуатаційних температур, режимів статичного, тривалого статичного та циклічного з різноманітними формами циклів навантаження на характеристики статичної, тривалої статичної та циклічної в'язкості руйнування на закономірності розвитку тріщин та на термін розвитку тріщин до критичних розмірів для сталі ЕП517-Ш;

- розроблено розрахунково-експериментальну методику оцінки значень характеристик статичної в'язкості руйнування сталі ЕП517-Ш для різноманітних НДС і товщини елементів дисків, завдяки застосуванню методу скінчених елементів, який дозволяє, при цьому, враховувати особливості фронту тріщини;

- обґрунтовано метод прискореного визначення швидкості РТВ при навантаженні зразків із ЕП517-Ш з високою частотою при кімнатній температурі, що дозволяє прогнозувати швидкість РТВ з урахуванням геометричних розмірів зразків без проведення випробувань при різноманітних температурах і формах циклу навантаження.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми динаміки і міцності у газотурбобудуванні» (Київ, 2007), одинадцятому міжнародному салоні «Двигуни-2010», науково-технічному конгресі по двигунобудуванню (Москва, 2010), XV міжнародному конгресі двигунобудівників (Рибаче, 2010).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано п'ять робіт, у тому числі: основні - чотири у провідних спеціалізованих журналах і одна - тези доповіді.

Структура та об'єм дисертації. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літературних джерел з 145 найменувань. Зміст викладено на 189 сторінках машинописного тексту. Робота містить 85 рисунків та 17 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність запропонованої теми, сформульовано мету й задачі дослідження, відображено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено загальну характеристику роботи.

У першому розділі подано огляд літератури, присвяченої вивченню закономірностей розвитку тріщин і характеристик в'язкості руйнування матеріалів при високій температурі з урахуванням часу, форми циклу і масштабного фактору. Наведено короткий опис параметрів тріщиностійкості, по яким оцінюється швидкість росту тріщини при тривалому статичному та циклічному навантаженні, а також моделі прогнозування швидкості росту тріщин.

В наведеній статистиці щодо руйнувань роторів стаціонарних паротурбінних і газотурбінних установок представлені найбільш характерні місця зародження початкових дефектів та їх розміри на момент проведення регламентних робіт, а також показано, що найбільш вразливими місцями роторів є зони конструктивної концентрації напружень.

Однією з найбільш освітлених тем в механіці руйнування є проблема впливу масштабного фактору на параметри напружено-деформівного стану в вершині тріщини та, відповідно, на характеристики в'язкості руйнування. Експериментальному і чисельному дослідженню впливу форми і розмірів зразків на параметри НДС в вершині тріщини в пружній і пружно-пластичній постановці присвячені роботи таких дослідників як G.H.Wellamn, S.T.Rolfe, R.H.Dodds, T.Hollstein, D.Siegele, E.Moyer та ін. Вплив геометрії зразків, довжин та форм тріщин на параметри тріщиностійкості було досліджено М.Kikuchi, H.Miyamoto, Y.Yamamoto та інш., які на різних матеріалах в явному вигляді отримали залежність між розмірами, формою тіла та параметрами НДС. При цьому було відмічено, що при збільшенні розмірів зразків жорсткість напруженого стану (- гідростатичне напруження, - інтенсивність напружень) в вершині тріщини теж зростає, а пластична деформація, навпаки, зменшується.

Зв'язок між параметрами НДС в вершині поверхневої напівеліптичної тріщини та формою фронту самої тріщини було досліджено D.Aurich, D.Siegle, E.Greco, M.Kikuchi, які показали, що підростання тріщини в першу чергу відбувається на тих ділянках фронту, де для цього створені відповідні умови.

Оскільки розміри і геометрія тіла, довжина та форма тріщини впливають на параметри НДС в вершині тріщини, то в свою чергу параметри НДС впливають на параметри локального руйнування. Цьому питанню присвячені роботи А.Я.Красовського, А.О.Лебедєва, М.Г.Чаусова, В.З.Партона, Г.П.Карзова, Б.З.Марголіна, Дж. Нотта, Д.Броека, Д. Райса, Д.Трейсі та ін.

На підставі досвіду експлуатації ГТД і аналізу причин руйнувань роторів встановлено, що основними чинниками, які впливають на зниження живучості дисків, є тривалі витримки при високій температурі и навантажуванні (повзучість) і циклічність навантажування (втома). Для прогнозування швидкості росту тріщини при трапецеїдальному циклі навантажування найбільш частіше застосовується лінійна гіпотеза підсумовування швидкостей росту тріщин втоми та повзучості,

, (1)

де перший доданок визначає внесок у сумарну швидкість росту тріщини при циклічному навантажуванні, що визначається за рівнянням Періса, а другий доданок - внесок при витримках в циклі; а - довжина тріщини; N - кількість циклів навантажування.

На базі лінійного закону (1) різними дослідниками, в залежності від класу матеріалів, здійснювалась певна модифікація лінійної гіпотези підсумовування швидкості росту тріщин за умов статичного і циклічного навантажування; але більшість моделей довговічності при цьому опиралися на результати експериментів, в яких час витримки не перевищував декількох годин.

Крім того в науковій літературі недостатньо висвітлені питання прогнозування швидкості росту втомних тріщин в жароміцних сталях при трапецеїдальному циклі навантажування з тривалими витримками.

Разом з тим, аналіз літературних даних призводить до висновку, що в умовах підвищених температур циклічне навантажування з витримками при максимальному навантаженні може значно скорочувати період росту тріщини до критичних розмірів. Тому прогнозування швидкості росту тріщин за таких умов необхідно здійснювати з урахуванням особливостей розвитку тріщин в умовах сумісної дії втоми і повзучості.

Таким чином, завдяки проведеному аналізу літературних джерел встановлено, що для визначення характеристик в'язкості руйнування треба враховувати параметри НДС в вершині тріщини, а також вплив сумісної дії втоми та повзучості на довговічність матеріалу, що дозволяє комплексно оцінювати період розвитку тріщини до критичних розмірів.

У другому розділі наведено дані про хімічний склад та характеристики механічних властивостей дослідженої жароміцної сталі мартенситного класу ЕП517-Ш. Фактичні механічні властивості штатної заготовки диска, отримані на зразках із ободу і ступиці (, , , ), задовольняють вимогам технічних умов на даний сплав (, , , ). Також наведені характеристики довготривалої міцності та повзучості.

В роботі показано схему порізки штатної заготовки диска турбіни двигуна ГТД45-60 на зразки та креслення зразків:

· стандартний компактний зразок СТ-1 товщиною h=25 мм;

· половинний компактний зразок СТ-0.5 товщиною h=10 мм;

· плоский зразок з боковим концентратором (рис.1, а);

· плоский зразок з поперечним концентратором (рис. 1, б);

· циліндричний гладкий зразок та циліндричні зразки з кільцевими надрізами радіусом R1, R2, R4 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Зразки для дослідження закономірностей розвитку тріщин, що виходять з концентраторів напружень

Закономірності розвитку тріщин при високотемпературному статичному навантажуванні вивчали на компактних зразках на позацентровий розтяг, товщиною h=10 мм.

Дослідження розвитку тріщин, що виходили із зони концентратора напружень на плоских зразках, імітувало характерні розміри конструктивних концентраторів дисків турбін і компресорів.

Викладено методики експериментальних досліджень характеристик в'язкості руйнування жароміцної сталі ЕП517-Ш, необхідні для вирішення поставлених задач, а саме:

- методику дослідження впливу рівня номінальних напружень та температури на швидкість розвитку тріщин, виникнення яких зумовлено концентратором напружень;

- методику дослідження закономірностей розвитку тріщин з врахуванням форми циклу навантажування, ефекту масштабу та температури;

- методику дослідження закономірностей розвитку тріщин при довготривалому статичному навантажуванні в умовах підвищених температур.

Короткотривалі втомні дослідження проводилися на сервогідравлічній установці SHM 100/50. Дослідження розвитку тріщин при довготривалому статичному навантажуванні та при трапецеїдальному циклі з витримками 3600 с проводились на модернізованій установці для випробувань на повзучість та довготривалу міцність ІП-4М.

На початку кожного випробування вирощувалась початкова тріщина втоми при кімнатній температурі.

Довжина тріщини вимірювалась по полірованій поверхні зразка, а у випадку дослідження росту тріщини повзучості (РТП) інколи дослідження припинялось і тріщина підрощувалась при циклічному навантажуванні з метою фіксації фронту тріщини та уточнення її довжини після руйнування зразка. В експериментах по вивченню РТП вимірювали розкриття берегів тріщини по лінії дії сили катетометром КМ-6. За отриманими даними будували криві росту тріщин повзучості та криві розкриття берегів тріщини по лінії дії сили в залежності від часу в координатах (а - ф) і (V - ф) відповідно. Кожну криву отримували при сталому навантаженні (Р=const). Ці данні використовували при побудові кінетичних діаграм РТП в залежності від визначеного параметра тріщиностійкості.

У третьому розділі наведено експериментально отримані дані про вплив температури, форми циклу, тривалого статичного навантажування, а також ефекту масштабу та концентраторів на характеристики в'язкості руйнування і швидкість росту тріщин.

Значення критичних коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН) підраховували, використовуючи діаграми «навантаження - переміщення по лінії дії сили» по 5% січній та по максимальному навантаженню відповідно до вимог ГОСТ 25.506-85, що відповідає початку нестабільного розвитку тріщини.

Дослідження критичних КІН на зразках СТ-1 і СТ-0.5 в діапазоні температур від 20^о до 450^оС показало, що в'язкість руйнування зразків СТ-1 в середньому на 10% перевищує в'язкість руйнування, отриману на зразках СТ-0.5 (рис. 2). Причому, з підвищенням температури спостерігається тенденція щодо збільшення відношення від 10 до 40% (рис. 2). Порівняння поверхонь зламів стандартних компактних зразків товщиною 25 мм та 10 мм яскраво відбиває пластичні властивості сплаву, що виявляється в наявності губ зсуву на поверхні зразків СТ-1 навіть при температурі 20^оС.

t,^оС

Рис. 2. Залежність від температури характеристик статичної тріщиностійкості: - СТ-1 () і СТ-0.5 (); K _max - СТ-1 () і СТ-0.5 ()



Рис. 3. Залежність характеристик статичної і циклічної тріщиностійкості зразків СТ-0.5 від температури: - K_Q^5% ; - K_max; - K_fc при ф_h= 20 с.; - K_fc при ф_h= 3600 с.; ? - тривале статичне навантаження

Крім цього відмічено, характерне для мартенситних сталей, зростання характеристик статичної тріщиностійкості з підвищенням температури від 20^оС до 300^оС, що зумовлено зменшенням внутрішніх напружень та збільшенням сил зв'язку між атомами заліза. Подальший ріст температури призводить до зменшення в'язкості руйнування.

Аналіз задовільнення умовам плоскої деформації (ПД) вказує, що цьому критерію відповідають тільки зразки товщиною 25 мм, які проходили випробування при температурі 20⁰С. Таким чином, при оцінюванні можливості руйнування виробів з тріщиноподібними дефектами, виготовлених з ЕП517-Ш, необхідно використовувати характеристики тріщиностійкості, отримані на зразках відповідної товщини при експлуатаційних температурах.

Порівняння експериментальних даних, отриманих при різних температурах і формах циклу навантажування показує (рис. 3), що при трапецеїдальних циклах навантажування з витримками при максимальному навантаженні тривалістю _h=20 c та _h=3600 с спостерігається збільшення циклічної в'язкості руйнування до 50% по відношенню до безперервного без витримок циклічному навантаженні в температурному діапазоні 300⁰…450⁰С.

Така поведінка матеріалу зумовлена виникненням затуплення вершини тріщини при витримках в умовах високої температури, при якій характер руйнування стає більш пластичним з вираженими губами зсуву і тунелюванням фронту тріщини, що відмічалося під час дослідження зламів зразків.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проведені дослідження вказують на те, що в умовах високих температур на накопичення пошкоджень у вершині тріщини впливають два конкуруючих механізми: накопичення пошкоджень від повзучості і затуплення вершини тріщини. Переважаюче місце першого призводить до зниження критичних характеристик тріщиностійкості, отриманих в умовах тривалого статичного навантажування по відношенню до характеристик при короткочасному навантажуванні.

На рис.4. представлені всі результати досліджень швидкості росту тріщин при циклічному навантажуванні з частотою f=15 Гц, при циклічному навантажуванні з витримками 3600 с., при температурах від t=20^о до t=450^оС. У подвійних логарифмічних координатах da/dN-K_max всі результати циклічних випробувань лягають вздовж прямої лінії, яка описує залежність швидкості РТВ при температурі 20^оС.

Розкид даних по всіх видах випробувань знаходиться в одному полі неминучого розкиду, що, як витікає із статистичної теорії накопичення пошкоджень від втоми, вважається задовільним. Разом з тим, суттєвого впливу температури і часу витримки в циклі при максимальному навантажуванні на швидкість росту тріщин не спостерігається.

Результати чисельної обробки проведених випробувань зразків на швидкість РТВ при різній температурі та витримках в циклі представлені в таблиці.

Таблиця. Значення коефіцієнтів рівняння Періса, що описує швидкість РТВ

t,0C	Зразок	Умови навантаження	А	n
20	СТ-0,5	f =15 Гц	5,17.10-11	2,201
20	СТ-1	f=10 Гц	2,43.10-12	3,07
300	СТ-0,5	h=20 cек.	4,20.10-12	2,80
450	СТ-0,5	f =15 Гц	2,28.10-12	3,10
450	СТ-0,5	h =20 cек.	6,00.10-12	2,792

Таким чином, для сталі ЕП517-Ш було встановлено, що в рамках умов проведених досліджень швидкість РТВ в подвійних логарифмічних координатах da/dN-K_max інваріантна по відношенню до зміни температури, форми циклу навантажування та розмірів зразків. Це свідчить про те, що існує можливість суттєво прискорити визначення характеристик тріщиностійкості сталі ЕП517-Ш при циклічному навантажуванні і за обмеженою кількістю первинних експериментальних досліджень поширити отримані результати на весь діапазон геометричних розмірів зразків, температур та режимів навантажування.

Дослідження розвитку тріщин, що виходять з бокового концентратора напружень (рис. 1а), з концентратора, розташованого по ширині зразка, (рис. 1б), а також від концентратора у вигляді свердління діаметром 1 мм и глибиною 0.7 мм проводилося при номінальних напруженнях близько 730 МПа. В результаті дослідження з'ясувалося, що кожен раз після зародження тріщини в концентраторі спостерігалося її стабільне докритичне зростання з подальшим виходом тріщини за межі дії концентратора і остаточним руйнуванням. Даний факт свідчить про достатній запас пластичності матеріалу, що дозволяє вийти тріщині з поля дії концентратора навіть в умовах кімнатної температури. Підраховані напруження в нетто («живому») перетині зразків під час руйнування складали 1130...1200 МПа, що значно перевищує умовну межу текучості для даного сплаву, яка при кімнатній температурі складає у_0.2=850 МПа.

Оскільки експлуатація виробів із сталі ЕП517-Ш може характеризуватися тривалою роботою в умовах високих температур, це зумовило необхідність дослідити закономірності розвитку тріщин при тривалому статичному навантажуванні. Вибір діапазону температур та початкового КІН (K_in) під час досліджень було зумовлено режимами експлуатації дисків ГТД, для виготовлення яких використовується сталь ЕП517-Ш.

Із аналізу результатів витікає, що як при дослідженні швидкості РТВ при циклічному навантажуванні з витримками, температури 350…400^оС не є температурами активації процесів накопичення деформації повзучості. Навіть при тривалості експерименту 9960 годин та K_in = 82 МПа тріщина не росла, не зважаючи на те, що в'язкість руйнування при температурі 350⁰С складає 105МПа. Підвищення температури до 450⁰С призводить до різкого збільшення швидкості накопичення деформації повзучості в вершині тріщини.

На базі експериментальних даних побудовано діаграми росту тріщин повзучості (РТП). Аналіз результатів вказує на наявність трьох ділянок росту тріщин. На першій ділянці відбувається початкове підростання тріщини приблизно на 0.5 мм. Тривалість цієї ділянки незначна і складає 10% від загальної довговічності зразка. Для другої ділянки характерні постійна швидкість РТП і тривалість цього періоду складає 80% загальної довговічності. На третій ділянці не відбувається різкого зростання швидкості РТП. Характерним для зламів зразків, які проходили випробування при температурі 450^оС і тривалому статичному навантажуванні, є тунелевидне поширення фронту тріщини. Використання методу піддатливості дало можливість вирішити проблему визначення довжини тріщини під час експерименту.

В четвертому розділі представлено розроблену модель розрахунку періоду розвитку тріщини до критичних розмірів з врахуванням впливу на швидкість росту тріщини втоми та повзучості, а також модифіковану модель оцінки в'язкості руйнування великогабаритних тіл за результатами випробувань лабораторних малих зразків.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 5. в подвійних логарифмічних координатах da/d-K_max наведені результати дослідження швидкостей росту тріщин, в залежності від часу для всіх видів навантажування та температур, які були отримані перетворенням діаграми da/dN-K_max. Видно, що при переході від циклічного навантажування з частотою f=15 Гц до циклічного з витримками ф_h=20 с швидкість росту зменшується на два порядки, а при порівнянні годинної витримки та тривалих статичних досліджень швидкість зменшується ще на два порядки.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 6 в координатах da/d-_h представлена залежність швидкості росту тріщини від часу витримки в циклі навантажування та значення КІН. Наведені результати досліджень вказують на те, що для сталі ЕП517-Ш в дослідженому діапазоні температур, форм циклів навантажень і розмірів зразків усі відомі моделі накопичення пошкоджень при взаємодії втоми та повзучості не працюють. Тобто поширення тріщини при циклічному навантажуванні з витримками до однієї години може підраховуватися за рівнянням Періса, а при більших витримках, та тривалому статичному навантажуванні довговічність тіла з тріщиною на стадії її стійкого розвитку можна визначати, використовуючи рівняння Нортона

,

де С і m - постійні матеріалу.

Для пояснення цього явища, враховуючи рекомендації стандарту ASTM E1457, були зроблені розрахунки тривалості часу переходу від маломасштабної до сталої повзучості ф_T

(2)

по якому визначають, який з параметрів K чи C* (С-інтеграл) контролює процес накопичення пошкоджень, а також тривалості інкубаційного періоду ф_in, як часу накопичення деформації повзучості у верхівці тріщини

. (3)

В рівняннях (2) і (3) - коефіцієнт Пуассона, Е - модуль Юнга, , - коефіцієнти, отримані при дослідженні повзучості та тривалої міцності, r_c - радіус пластичної зони в вершині тріщини.

Розрахунки, здійснені за рівняннями (2) і (3) показали, що тривалість ф_T і інкубаційного періоду ф_in на декілька порядків більша як часу витримки ф_h в трапецеїдальному циклі, так і реальної тривалості проведених експериментів. Таким чином для опису процесу зростання тріщини в сталі ЕП517-Ш при взаємодії втоми та повзучості в діапазоні температур t=20...450^оС достатньо використовувати КІН замість параметра С*.

Для прогнозування значень характеристик в'язкості руйнування з врахуванням впливу напруженого стану використана методика, розроблена Трощенком В.Т., Покровським В.В. і Каплуненком В.Г., в якій модель в'язкого руйнування ґрунтується на досягненні пластичною деформацією поблизу вершини тріщини критичного значення _f. В свою чергу вплив розмірів тіла на критичну деформацію _f може бути враховано через їх вплив на тривісність напруженого стану , зв'язок між якими задовільно описується рівнянням Бріджмена

(4)

де - гідростатичне напруження, - інтенсивність напружень, е_If - деформація початку пошкодження матеріалу.

Одним з ключових моментів даної моделі є наявність параметру , що вказує на наближення напруженого стану до ПД; при плоскому напруженому стані (ПНС) =0, при ПД - =1.

Рівняння для прогнозування в'язкості руйнування має вигляд

, (5)

; p і D - коефіцієнти рівняння , що описує криву деформування матеріалу; X_c - характеристична відстань.

На базі моделі Трощенка-Покровського-Каплуненка запропоновано модифіковане рівняння для прогнозування характеристик в'язкості руйнування великогабаритних тіл за результатами випробувань малогабаритних зразків

 (6)

де , , - коефіцієнти, значення яких одержують під час випробувань циліндричних зразків на розтяг (гладких та з концентраторами) при відповідній температурі; та - середнє значення тримірності напруженого стану вздовж фронту тріщини, відповідно, у зразку та в великогабаритному тілі (наприклад, диску ГТД).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для розрахунків параметрів рівняння (6) за допомогою програми ANSYS (ліцензія 281526) були побудовані моделі: 3-D лінійно-пружня для визначення , і пружно-пластична для визначення . Розрахунки для зразків товщиною h=10 і h=25 мм виконувались з використанням 20-ти вузлового скінченого елементу Solid95 розмірами 0.0550.0550.36 мм (рис.7), що співпадає з середнім розміром зерна, визначеним під час металографічних досліджень мікроструктури ЕП517-Ш. Середні розміри зерен в зразках відповідають 6-7 балу шкали ГОСТ5639-51 (СТ СЕВ 1959-79), чому відповідає абсолютний діаметр зерна 0,031…0,044 мм.

Враховуючи симетрію, розрахунки параметрів і здійснювалися на моделях ј зразків. Навантаження прикладали вздовж лінії дії сили (ЛДС). Середньо-інтегральне по товщині h значення ч знаходили за рівнянням

, (7)

після інтегрування якого отримано ч=0,68 для зразка СТ-0.5, а для зразка СТ-1 - ч=0,8.

Параметр , одержаний в результаті рішення тривимірної пружно-пластичної задачі, усереднявся по товщині зразка подібно параметру ч.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Результати розрахунків параметрів НДС в вершині тріщини для моделі зразка СТ-0.5 половинної товщини: суцільна лінія - розподілення по товщині параметрів (а) і (_m/_i) (б), пунктирна лінія - середньо-інтегральне значення параметрів

Рис.8 ілюструє розподілення параметрів і вздовж половини товщини зразка СТ-0.5 (0.5h=5мм) при температурі 400⁰С та зміщенні по ЛДС на 0,14 мм. Відстань від фронту тріщини вздовж осі OX дорівнювала відстані, на якій реалізується максимальне напруження за Мізесом.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 9 наведено порівняння результатів розрахунку за формулами (5) і (6) з експериментом для СТ-1 і СТ-0,5 зразків при різних температурах. Перерахунок J_C на K_C здійснювалося за формулою

, (8)

де E'=E - для плоского напруженого стану і - для умов ПД.

З наведеного рис.9 видно, що характер температурної залежності в'язкості руйнування, одержаний за формулою (5), в цілому повторює характер змін експериментально отриманих критичних характеристик тріщиностійкості від температури. Перерахунок значень в'язкості руйнування зразків СТ-0,5 на зразки СТ-1 за рівнянням (6) вказує на можливість застосування розробленої методики для прогнозування в'язкості руйнування сталі ЕП517-Ш при різних НДС і, відповідно, при різній товщині конструктивних елементів, оскільки результати розрахункового прогнозу розташовуються у полосі неминучого розкиду експериментальних даних.

Враховуючи поставлене в роботі завдання пошуку терміну, за який тріщина від початкового розміру а_o підросте до критичного розміру а_кр рівняння (1) було записано відносно часу

. (9)

Інтегрування рівняння (9) по a дає потрібне рівняння лінійної моделі розрахунку періоду розвитку тріщини (a_кр) від початкового a_o до критичного розміру a_кр при комбінованому впливі циклічних та статичних навантажень

, (10)

де _i - тривалість витримки на i-ом режимі навантажування відповідного спектру навантажень p типу при статичному навантажуванні;

N_j - число циклів на j-ом рівні навантажування відповідного спектру навантажень q типу при циклічному навантажуванні;

- рівняння швидкості росту тріщини при тривалому статичному навантажуванні, в якому C і m - параметри що відповідають швидкості росту при температурі t та максимальному навантажені K_max;



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

- рівняння швидкості РТВ, в якому A і n - параметри рівняння Періса (див. табл.).

Використовуючи розроблену модель довговічності (10) шляхом чисельного інтегрування виконано розрахунок довговічності диска турбіни ГТД45-60, що має тріщину в ободі з початковою довжиною a_o=0.2 мм, що відповідає роздільній здатності капілярних методів дефектації та умовам застосування лінійної механіки руйнування.

Режим навантажування був обраний тривалий статичний, як той, при якому під час досліджень відзначалися мінімальні значення критичних КІН, на відміну від циклічних режимів.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результати розрахунку періоду росту тріщини до критичного розміру a_кр в порівнянні з результатами тривалих статичних випробувань при температурі 450^оС представлені на рис.10, де цифрами 1, 2, 3 і 4 позначено наступний стан зразка та диска: 1 - початкове розрахункове значення К_in=31 при =760 МПа і a_o=0.2 мм, (a_o/c_o=1); 2 - початкове експериментальне значення К_in=54 у зразку; 3 - К_Iс=93.7 відповідає руйнуванню зразка з врахуванням докритичного росту тріщини на протязі 2970 годин; 4 - розрахований час до руйнування, що відповідає досягненню в вершині тріщини критичного значення КІН при довжині тріщини a_кр=13 мм (a_кр/c_кр= 2).

Задовільна збіжність експериментальної тривалості росту тріщини з розрахованою дозволяє зробити висновок про можливість прогнозування залишкового ресурсу виробів із сталі ЕП517-Ш по запропонованій моделі (10) накопичення часу на стадії стійкого росту тріщини до критичних розмірів в умовах сумісної дії втоми та повзучості.

На рис. 11 наведено номограму визначення критичних розмірів тріщин с прямолінійним фронтом в залежності від критичних значень КІН, що були отримані при статичному, циклічному навантаженні з різною формою циклів та тривалому статичному навантаженні в діапазоні експлуатаційних температур +20⁰ ...450⁰С. Наведені на рис. 11 критичні розміри тріщин з прямолінійним фронтом є найменшими серед всіх можливих форм тріщин, що знаходяться в полі однакових напружень.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі, яка присвячена розв'язанню актуальної науково-технічної проблеми прогнозування тривалості росту тріщин до критичних розмірів в дисках газотурбінних двигунів, виготовлених із жароміцної сталі ЕП517-Ш, що знаходяться під впливом експлуатаційних температур та характерного спектру навантажень (тривалого статичного і циклічного) вперше встановлені закономірності впливу температур, статичного та циклічного навантаження на характеристики в'язкості руйнування з врахуванням ефекту масштабу та наявності характерних для дисків ГТД конструктивних концентраторів напружень.

Найбільш важливими результатами роботи є такі.

1. Розроблено розрахунково-експериментальну методику оцінювання характеристик тріщиностійкості сталі ЕП517-Ш при в'язкому руйнуванні для різних НДС, обумовлених масштабним ефектом. Розроблена методика відрізняється від інших тим, що поєднує експериментальне визначення фізичних параметрів матеріалу з чисельним розрахунком параметрів НДС в верхівці тріщини довільної форми методом скінчених елементів. Отримані вперше за цією методикою результати оцінки критичних значень характеристик в'язкості руйнування з точністю 5% співпадають з результатами відповідних експериментів.

2. Розроблена методика розрахунку періоду розвитку тріщин до критичних розмірів в дисках із сталі ЕП517-Ш, котрі працюють при комбінованому (тривалому статичному, циклічному та циклічному з витримками) навантажуванні для характерного діапазону діючих в дисках напружень і температур. Перевірка адекватності запропонованої моделі підрахунку довговічності підтверджена задовільною збіжністю результатів розрахунку довговічності диска турбіни ГТД45-60 з результатами експерименту, отриманих на зразках.

3. Випробування при статичному навантаженні вказують на те, що із зростанням температури значення в'язкості руйнування сталі ЕП517-Ш змінюються не монотонно: від 20^оС до 350^оС в'язкість руйнування збільшується, а потім із зростанням температури до 450^оС - в'язкість руйнування зменшується. При цьому в'язкість руйнування зразків товщиною 25 мм приблизно на 10% вище, ніж у зразків товщиною 10 мм в дослідженому діапазоні температур.

4. При дослідженні швидкості РТВ на зразках СТ-1 і СТ-0.5 вплив температури та тривалості циклу навантаження від 0.017 с. до 3600 с. на швидкість росту тріщини в координатах da/dN-K_max несуттєвий та укладається в полосу неминучого розкиду експериментальних даних. На базі цього запропоновано метод прискореного визначення швидкості РТВ при циклічному навантажуванні зразків із сталі ЕП517-Ш з високою частотою при 20^оС, що дозволить прогнозувати швидкість РТВ без проведення досліджень при високих температурах і різних режимах навантаження.

5. Тривалі статичні випробування зразків при t=300…450^оС і початкових K_in=54…82 МПа вказують на те, що температури до 400^оС є припустимими температурами експлуатації дисків із сталі ЕП517-Ш, що забезпечують досить тривалий термін розвитку тріщини до критичних розмірів: при K_in=54 МПа і t=400^оС довговічність сягає майже 30000 годин. В той же час при 450^оС і K_in<54 МПа довговічність не перевищує 3000 годин. Отримана матриця результатів тривалих випробувань зразків, а також емпіричні рівняння дозволяють визначати необхідні умови експлуатації ГТД, при яких буде досягнуто необхідний термін безпечної експлуатації дисків. в'язкість тріщина навантаження температура

6. Подавання швидкості РТВ у вигляді номограми в координатах da/d-_h при К_max=var вказує на те, що із збільшенням часу витримки більше однієї години швидкість росту тріщини залишається майже незмінною, що дозволяє прогнозувати термін розвитку тріщин при циклічному навантажуванні з витримками більше однієї години як при тривалому статичному навантаженні, що, в свою чергу, дає можливість спростити підрахунок довговічності.

7. Значення характеристик в'язкості руйнування, отриманих при трапецеїдальному циклі навантаження зразків з витримками 20 і 3600 с, на 50% вищі за короткочасні статичні та циклічні без витримки в діапазоні температур t=300…450^оС, що пояснюється впливом повзучості, яка ініціює затуплення верхівки тріщини.

8. Дослідження закономірностей розвитку тріщин в полі напружень, що виходять з концентратору напружень, вказує на те, що завдяки значному запасу пластичності сталі ЕП517-Ш в діапазоні температур t=20…450^оС тріщина під дією циклічного навантаження виходить за межі впливу концентратора і остаточне руйнування зразка відбувається від загальної втрати несучої здатності при досягненні значень нетто-напружень вище умовної межи текучості.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Покровский В.В., Сидяченко В.Г., Ежов В.Н., Кулишов С.Б. Расчетно-экспериментальная модель прогнозирования скорости роста усталостной трещины в условиях совместного действия усталости и ползучести (на англ. яз.) // Проблемы прочности, 2009. - №1. - с. 105-112.

Здобувачем виконано аналіз літературних джерел і запропоновано модель підсумовування пошкодженності матеріалу для прогнозування швидкості росту тріщини до критичних розмірів в умовах сумісної дії втоми та повзучості.

2. Покровский В.В., Ежов В.Н., Кулишов С.Б., Сидяченко В.Г., Замотаев В.С. Влияние режимов эксплуатации и конструкционных факторов на развитие трещины в стали 12Cr-2Ni-Mo // Проблемы прочности, 2009. - №3. - с. 66-77.

Здобувачем зроблено аналіз результатів випробувань зразків і запропоновано метод прискореного визначення швидкості росту тріщин втоми для сталі 12Cr-2Ni-Mo, що базується на інваріантності залежності швидкості РТВ від температури та режимів циклічного навантаження.

3. Покровский В.В., Кулишов С.Б., Сидяченко В.Г., Ежов В.Н., Замотаев В.С. Прогнозирование температурной зависимости вязкости разрушения жаропрочной стали 12Cr-2Ni-Mo // Проблемы прочности, 2009. - №4. - с. 78-88.

Здобувачем досліджено вплив температури та розміру зразків на характеристики статичної тріщиностійкості сталі 12Cr-2Ni-Mo.

4. Покровский В.В., Кулишов С.Б., Сидяченко В.Г., Ежов В.Н., Замотаев В.С. Прогнозирование характеристик вязкости разрушения жаропрочной стали типа 12Cr-2Ni-Mo с учетом температуры и эффекта масштаба // Авиац.-косм. техника и технология, 2010. - №9(76). - с. 106-111.

Здобувачем на базі 3-D моделі зразків різної товщини виконані розрахунки коефициєнтів, що входять до рівняння прогнозування характеристик тріщиностійкості та виконано порівняння одержаних результатів з результатами експериментів.

5. Покровский В.В., Кулишов С.Б., Сидяченко В.Г., Ежов В.Н., Замотаев В.С. Прогнозирование температурной зависимости вязкости разрушения жаропрочной стали 12Cr-2Ni-Mo с учетом эффекта масштаба // Научно-технический конгресс «Двигатели-2010». - Сборник тезисов. Москва, 2010 - с. 120-123.

АНОТАЦІЯ

Кулішов С.Б. Прогнозування довговічності розвитку тріщин до критичних розмірів в жароміцній сталі ЕП517-Ш при сумісному впливі втоми та повзучості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла. - Інститут проблем міцності НАН України, Київ, 2010.

Вперше проведено комплексне дослідження впливу конструкційних (розмірів зразків, концентрації напружень) та експлуатаційних чинників (температури, форми циклу навантаження) на критичні характеристики в'язкості руйнування та кінетику розвитку тріщин в жароміцній сталі ЕП517-Ш, що широко застосовується для виготовлення дисків ГТД.

Показано, що в діапазоні температур 20...450^оС при циклічному навантажуванні з витримками до 3600 с. швидкість росту тріщини в сталі ЕП517-Ш є інваріантною характеристикою сплаву по відношенню до перерахованих чинників, що дозволяє запропонувати методику прискореного визначення характеристик тріщіностійкості. Завдяки високій пластичності сплаву руйнування зразків з тріщинами, що виходили з різних концентраторів, завжди відбувалося при нетто-напруженнях вищих за умовну межу текучості. Використання розробленої в ІПМ ім. Г.С. Писаренка НАН України методики прогнозування в'язкості руйнування крупногабаритних тіл при різних НДС за результатами випробувань малогабаритних зразків вказує на можливість поширення її на клас жароміцних мартенситних сталей, а запропонована модифікація базового рівняння надає можливості для більш широкого її застосування.

Показано, що прогнозування періоду докритичного розвитку тріщини при трапецеїдальній формі циклу можна здійснювати за допомогою запропонованого рівняння, в якому реалізовано лінійну гіпотезу підсумовування швидкостей росту тріщин в умовах сумісної дії втоми та повзучості.

Ключові слова: швидкість росту тріщини, гіпотеза лінійного підсумовування швидкості, масштабний ефект, жароміцний сплав.

Кулишов С.Б. Прогнозирование долговечности развития трещин до критических размеров в жаропрочной стали ЭП517-Ш при совместном влиянии усталости и ползучести. - Рукопись.

Впервые выполнено комплексное исследование влияния масштабного фактора, концентрации напряжений, а также температуры и формы цикла на харатеристики статической вязкости разрушения и скорость роста трещин в условиях высоких температур для жаропрочной мартенситной стали ЭП517-Ш, широко используемой в современном газотурбостроении.

Сравнительные испытания образцов толщиной 10 мм (СТ-0,5) и толщиной 25 мм (СТ-1) показали, что в диапазоне температур 20…450^оС характеристики статической вязкости разрушения, полученные по 5% секущей на образцах СТ-1 выше на 10%, чем на образцах СТ-0,5; при этом с ростом температуры до 400^оС вязкость разрушения увеличивается с 87…97 МПа до 96…107 МПа. Проверка условия плоской деформации соблюдается только на образцах СТ-1 при 20^оС, при этом губы среза имеются на изломах даже при 20^оС.

Характеристики циклической вязкости разрушения, полученные в трапецеидальных циклах нагружения с выдержками 20 и 3600 с., превышают почти на 50% характеристики, полученные при кратковременных и циклических без выдержки испытаниях в диапазоне температур +300⁰С…+450⁰С, что объясняется процессами затупления вершины трещины. Пониженный уровень вязкости разрушения при длительных высокотемпературных испытаниях по сравнению с циклическими связан с накоплением повреждаемости (возникновением и коалесценцией микропор) перед вершиной трещины, характерного для встречного механизма разрушения.

...