zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2024-90-12-45-64zldm-2362Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSИзмерение и расчет устойчивого роста усталостных трещинMeasurement and calculation of stable growth of fatigue cracksТумановН. В.TumanovN. V.

Николай Ваганович Туманов,

111116, Москва, ул. Авиамоторная, д. 2.

Nikolay V. Tumanov,

2, Aviamotornaya ul., Moscow, 111116.

nvtumanov@ciam.ruЛаврентьеваМ. А.LavrentyevaM. A.

Марина Александровна Лаврентьева,

111116, Москва, ул. Авиамоторная, д. 2.

Marina A. Lavrentyeva, 

2, Aviamotornaya ul., Moscow, 111116.

ЧеркасоваС. А.CherkasovaS. A.

Светлана Александровна Черкасова, 

111116, Москва, ул. Авиамоторная, д. 2.

Svetlana A. Cherkasova, 

2, Aviamotornaya ul., Moscow, 111116.

ВоробьеваН. А.VorobjevaN. A.

Нина Алексеевна Воробьева, 

111116, Москва, ул. Авиамоторная, д. 2.

Nina A. Vorobjeva, 

2, Aviamotornaya ul., Moscow, 111116.

Волков,М. Е.VolkovM. E.

Михаил Евгеньевич Волков, 

111116, Москва, ул. Авиамоторная, д. 2.

Mikhail E. Volkov, 

2, Aviamotornaya ul., Moscow, 111116.

МитинаЮ. Л.MitinaYu. L.

Юлия Лаврентьевна Митина, 

111116, Москва, ул. Авиамоторная, д. 2.

Yuliya L. Mitina,

2, Aviamotornaya ul., Moscow, 111116.

КалашниковаА. И.KalashnikovaA. I.

Александра Игоревна Калашникова,

111116, Москва, ул. Авиамоторная, д. 2.

Aleksandra I. Kalashnikova,

2, Aviamotornaya ul., Moscow, 111116.

Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ)РоссияCentral Institute of Aviation Motors (CIAM)Russian Federation20242312202490124564Copyright © Туманов Н.В., Лаврентьева М.А., Черкасова С.А., Воробьева Н.А., Волков, М.Е., Митина Ю.Л., Калашникова А.И., 20242024Туманов Н.В., Лаврентьева М.А., Черкасова С.А., Воробьева Н.А., Волков, М.Е., Митина Ю.Л., Калашникова А.И.Tumanov N.V., Lavrentyeva M.A., Cherkasova S.A., Vorobjeva N.A., Volkov M.E., Mitina Y.L., Kalashnikova A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2362

Проведено комплексное многомасштабное исследование кинетики усталостных трещин (КУТ) в дисках авиадвигателей и в образцах из жаропрочных титановых и никелевых сплавов. Цель исследования — определение возможности микрофрактографической реконструкции и расчетного прогнозирования устойчивого роста усталостных трещин на основе измерения и расчета шага усталостных бороздок S. Выполнены микро- и макрофрактографическое измерение устойчивого роста трещин (по шагу усталостных бороздок и по маркерным линиям, определяющим последовательные положения макрофронта трещины через определенное число циклов нагружения) и сравнение их результатов, а также конечно-элементное моделирование трещин, расчет размаха коэффициента интенсивности напряжений (КИН) ΔK, расчетное прогнозирование КУТ с использованием кинетического уравнения S(ΔK) (полученного ранее на основе физико-математического моделирования механизма устойчивого роста усталостных трещин), сравнение результатов прогнозирования с фрактографическими данными. Установлено, что средняя величина S характеризует скорость роста трещины усталости (СРТУ) на протяжении всей стадии ее устойчивого роста, соответствующей второму участку кинетической диаграммы СРТУ – размах КИН, а использование кинетического уравнения S(ΔK) позволяет прогнозировать устойчивый рост усталостных трещин разной конфигурации в деталях из конструкционных материалов с различной кристаллической структурой и микроструктурой при разных условиях нагружения. Полученные результаты имеют важное значение для обеспечения безопасной эксплуатации высоконапряженных роторных деталей авиадвигателей, в которых продолжительность стадии устойчивого роста трещин малоцикловой усталости достигает 70 % общей циклической долговечности, а шаг усталостных бороздок является, как правило, единственной измеримой характеристикой скорости устойчивого роста в натурных условиях.

Comprehensive multiscale study of fatigue crack kinetics (FCK) in aircraft engine disks and samples from heat-resistant titanium and nickel alloys is presented. The aim of the studies was to determine the possibility of microfractographic reconstitution and calculated prediction of stable fatigue crack growth based on the measurement and calculation of fatigue striation spacing S. The studies included micro- and macrofractographic measurements of stable crack growth (according to fatigue striation spacing, measured by scanning electron microscopy with high resolution, and to the marker lines determining positions of the crack macrofront after a certain number of loading cycles) and comparing their results, finite element modeling of cracks and calculating the stress intensity factor (SIF) range ΔK, calculated prediction of FCK using kinetic equation S(ΔK), obtained earlier on the basis of physical and mathematical modeling of stable fatigue crack growth mechanism, comparison of prediction results with fractographic data. Because of the study, it is shown that the average value of S characterizes fatigue crack growth rate (FCGR) during the entire stage of stable growth of the fatigue crack, corresponding to the second section of the kinetic diagram «FCGR – SIF range». The use of equation S(ΔK) makes it possible to predict the stable growth of fatigue cracks of different configurations in parts and specimens from structural materials with different crystal structure and microstructure under different loading conditions. The obtained results are of particular importance for ensuring safe operation of high-stress rotary parts of aero engines, in which the duration of stable growth of low cycle fatigue cracks reaches 70 % of the total cyclic life, and fatigue striation spacing is the only measurable characteristic of stable growth rate under service conditions.

кинетика усталостной трещиныусталостные бороздкиконечно-элементное моделированиерасчетное прогнозированиеfatigue crack kineticsfatigue striationsfinite element modelingcalculated predictionReferencesРоманив О. Н., Зима Ю. В. Количественная микрофрактография усталостного разрушения металлов и сплавов / Стандартизация фрактографического метода оценки скорости усталостного разрушения металлов. Вып. 5 / Под ред. О. Н. Романива. — М.: Изд-во стандартов, 1984. С. 6 – 30.Romaniv O. N., Zima Yu. V. Quantitative microfractography of fatigue fracture of metals and alloys / Standardization of fractographic method for estimating the fatigue fracture rate of metals. Issue 5 / O. N. Romaniv, Ed. — Moscow: Izd. standartov, 1984. P. 6 – 30 [in Russian].Ботвина Л. Р., Лимарь Л. В., Лозовский В. Н. К вопросу об оценке длительности роста трещины по ширине усталостных бороздок / Стандартизация фрактографического метода оценки скорости усталостного разрушения металлов. Вып. 5 / Под ред. О. Н. Романива. — М.: Изд-во стандартов, 1984. С. 38 – 54.Botvina L. R., Limar’ L. V., Lozovskii V. N. On the issue of estimating the duration of crack growth by the / Standardization of the fractographic method for estimating the fatigue fracture rate of metals. Issue 5 / O. N. Romaniv, Ed. — Moscow: Izd. standartov, 1984. P. 38 – 54 [in Russian].Методические рекомендации МР 189–86. Расчеты и испытания на прочность. Метод оценки сопротивления металлических материалов усталостному разрушению по шагу усталостных бороздок. — М.: ВНИИНМАШ, 1986. — 36 с.Methodological recommendation MR 189–86. Strength analysis and tests. Method of metal fatigue estimation based on fatigue striations spacing measurement. — Moscow: VNIINMASh, 1986. — 36 p. [in Russian].Ботвина Л. Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. — М.: Наука, 1989. — 230 с.Botvina L. R. Fracture kinetics of structural materials. — Moscow: Nauka, 1989. — 230 p. [in Russian].Ботвина Л. Р. Основы фрактодиагностики. — М.: Техносфера, 2022. — 393 с.Botvina L. R. Fundamentals of fractodiagnostics. — Moscow: Tekhnosfera, 2022. — 393 p. [in Russian].Клевцов Г. В., Ботвина Л. Р., Клевцова Н. А., Лимарь Л. В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. — М.: МИСиС, 2007. — 264 с.Klevtsov G. V., Botvina L. R., Klevtsova N. A., Limar’ L. V. Failure analysis of metallic materials and structures. — Moscow: MISiS, 2007. — 264 p. [in Russian].Лимарь Л. В. Фрактодиагностика авиационных деталей из титановых сплавов. — Верхняя Салда: ОАО «Корпорация «ВСМПО-АВИСМА», 2011. — 157 с.Limar’ L. V. Failure analysis of aviation parts made from titanic alloys. — Verkhnyaya Salda: Korporatsiya «VSMPO-AVISMA», 2011. — 157 p. [in Russian].Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения. — Киев: Наукова думка, 1978. — 352 с.Yokobori T. Scientific bases of strength and fracture. — Kiev: Naukova dumka, 1978. — 352 p. [Russian translation].Кишкина С. И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. — М.: Металлургия, 1981. — 280 с.Kishkina S. I. Fracture resistance of aluminium alloys. — Moscow: Metallurgiya, 1981. — 280 p. [in Russian].Машиностроение. Энциклопедия. Физико-механические свойства. Испытания металлических материалов. Т. II-1. — М.: Машиностроение, 2010. — 852 с.Machine construction. Encyclopedia. Physical and mechanical properties. Tests of metallic materials. Vol. II-1. — Moscow: Mashinostroenie, 2010. — 852 p. [in Russian].González-Velázquez J. L. Fractography and failure analysis. — Cham: Springer, 2018. — 165 p.González-Velázquez J. L. Fractography and failure analysis. — Cham: Springer, 2018. — 165 p.McEvily A. J. Metal failures: mechanisms, analysis, prevention. — Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2013. — 479 p.McEvily A. J. Metal failures: mechanisms, analysis, prevention. — Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2013. — 479 p.Туманов Н. В. Стадийность кинетики усталостных трещин: закономерности и особенности / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 1. С. 58 – 71. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-1-58-71Tumanov N. V. Staging of fatigue crack kinetics: patterns and features / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2024. Vol. 90. N 1. P. 58 – 71 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-1-58-71Туманов Н. В., Воробьева Н. А., Калашникова А. И. и др. Расчетное и фрактографическое исследования устойчивого роста трещин малоцикловой усталости в диске турбины авиадвигателя при сложных циклах нагружения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 4. С. 52 – 60. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-4-52-60Tumanov N. V., Vorob’eva N. A., Kalashnikova A. I., et al. Computational and fractographic study of stable growth of low-cycle fatigue cracks in the disk of aero engine turbine under complex loading cycles / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. N 4. P. 52 – 60 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-4-52-60Hertzberg R. W., Paris P. C. Application of electron fractography and fracture mechanics to fatigue crack propagation / T. Yokobori, T. Kawasaki, J. L. Swedlow, Eds. Proc. 1st Int. Conf. on Fracture. Vol. 1. — Japanese Society for Strength and Fracture of Materials, 1966. P. 459 – 478.Hertzberg R. W., Paris P. C. Application of electron fractography and fracture mechanics to fatigue crack propagation / T. Yokobori, T. Kawasaki, J. L. Swedlow, Eds. Proc. 1st Int. Conf. on Fracture. Vol. 1. — Japanese Society for Strength and Fracture of Materials, 1966. P. 459 – 478.Bates R. C., Clark W. G. Fractography and fracture mechanics / Trans. ASM. 1969. Vol. 62. N 2. P. 380 – 389.Bates R. C., Clark W. G. Fractography and fracture mechanics / Trans. ASM. 1969. Vol. 62. N 2. P. 380 – 389.Миллс Дж. Характеристики распространения усталостных трещин, полученные для двух никелевых сплавов в среде жидкого натрия / Теоретические основы инженерных расчетов. 1979. Т. 101. № 3. С. 29 – 37.Mills W. J., James I. A. The fatigue-crack propagation response of two nickel-base alloys in a liquid sodium environment / Trans. ASME: Journal of engineering materials and technology. 1979. Vol. 101. N 3. P. 205 – 213.Иванова В. С., Шанявский А. А. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. — Челябинск: Металлургия, 1988. — 400 с.Ivanova V. S., Shanyavskii A. A. Quantitative fractography. Fatigue fracture. — Chelyabinsk: Metallurgiya, 1988. — 400 p. [in Russian].McEvily A. J., Matsunaga H. On fatigue striations / Scientia Iranica: Transaction on mechanical engineering (B). 2010. Vol. 17. N 1. P. 75 – 82.McEvily A. J., Matsunaga H. On fatigue striations / Scientia Iranica: Transaction on mechanical engineering (B). 2010. Vol. 17. N 1. P. 75 – 82.Матохнюк Л. Е., Яковлева Т. Ю. Влияние частоты нагружения на закономерности и микромеханизмы роста усталостных трещин в титановых сплавах. Сообщение 2 / Проблемы прочности. 1988. № 1. С. 21 – 31.Matokhnyuk L. E., Yakovleva T. Yu. Influence of loading frequency on regularities and micromechanisms of fatigue crack growth in titanic alloys / Probl. Prochn. 1988. N 1. P. 21 – 31 [in Russian].Яковлева Т. Ю. Локальная пластическая деформация и усталость металлов. — Киев: Наукова думка, 2003. — 236 с.Yakovleva T. Yu. Local plastic deformation and fatigue of metals. — Kiev: Naukova dumka, 2003. — 236 p. [in Russian].Туманов Н. В., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А. Реконструкция и прогнозирование развития усталостных трещин в дисках авиационных газотурбинных двигателей / Конверсия в машиностроении. 2005. № 4 – 5. С. 98 – 106.Tumanov N. V., Lavrent’eva M. A., Cherkasova S. A. Reconstruction and prediction of fatigue crack growth in aero engine disks / Konvers. Mashinostr. 2005. N 4 – 5. P. 98 – 106 [in Russian].Рыбин В. В., Пациорных А. И., Полиэктов Ю. И. Особенности разрушения высокопрочных литейных сталей при малоцикловой усталости / Проблемы прочности. 1975. № 6. С. 32 – 39.Rybin V. V., Patsiornykh A. I., Polyektov Yu. I. Features of high-strength cast steels fracture under low cycle fatigue / Probl. Prochn. 1975. N 6. P. 32 – 39 [in Russian].Туманов Н. В. Устойчивый рост усталостных трещин: микромеханизм и математическое моделирование / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 11. С. 52 – 69. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-11-52-69Tumanov N. V. Steady fatigue crack growth: micromechanism and mathematical modeling / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. N 11. P. 52 – 69 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-11-52-69Ножницкий Ю. А., Балуев Б. А., Федина Ю. А., Шадрин Д. В. Развитие экспериментальной базы прочностных исследований ЦИАМ / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2019. № 57. С. 55 – 69. DOI: 10.15593/2224-9982/2019.57.05Nozhnitskii Yu. A., Baluev B. A., Fedina Yu. A., Shadrin D. V. Modernization of experimental base for investigation of gas turbine engine integrity / Vestn. Perm. Natsional. Issled. Politekhn. Univ. Aérokosm. Techn. 2019. N 57. P. 55 – 69 [in Russian]. DOI: 10.15593/2224-9982/2019.57.05Сиратори М., Миёси Т., Мацусита Х. Вычислительная механика разрушения. — М.: Мир, 1986. — 334 с.Siratori M., Miyosi T., Matsusita H. Computing fracture mechanics. — Moscow: Mir, 1986. — 334 p. [Russian translation].Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах. Т. 1 / Под ред. Ю. Мураками. — М.: Мир, 1990. — 448 с.Stress intensity factors handbook. In 2 volumes. Vol. 1 / Y. Murakami, Ed. — Moscow: Mir, 1990. — 448 p. [Russian translation].Ножницкий Ю. А., Туманов Н. В., Черкасова С. А., Лаврентьева М. А. Фрактографические методы определения остаточного ресурса дисков авиационных газотурбинных двигателей / Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2011. Т. 16. № 4(44). С. 39 – 45.Nozhnitskii Yu. A., Tumanov N. V., Cherkasova S. A., Lavrent’eva M. A. Fractographic methods of residual life estimation for aero engine disks / Vestn. Ufim. Gos. Aviats. Tekhn. Univ. 2011. Vol. 16. N 4(44). P. 39 – 45 [in Russian].Туманов Н. В., Черкасова С. А., Лаврентьева М. А., Воробьева Н. А. Исследование механизмов развития трещин малоцикловой усталости в дисках авиадвигателей в условиях эксплуатации и оценка остаточной долговечности дисков / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 3(27). Ч. 2. С. 175 – 184.Tumanov N. V., Cherkasova S. A., Lavrent’eva M. A., Vorob’eva N. A. Study of mechanisms of low cycle fatigue crack growth in aero engine disks and estimation of disks residual life / Vestn. Samar. Gos. Aérokosm. Univ. 2011. N 3(27). Part 2. P. 175 – 184 [in Russian].Туманов Н. В., Лаврентьева М. А., Воробьева Н. А. и др. Ресурс живучести дисков авиадвигателей: прогнозирование, верификация, практическое применение / Прочность и надежность газотурбинных двигателей / Под ред. Ю. А. Ножницкого. — М.: ЦИАМ, 2020. С. 34 – 56.Tumanov N. V., Lavrent’eva M. A., Vorob’eva N. A., et al. Survivability resource of aero engine disks: prediction, verification, practical use / Strength and reliability of gas turbine engines / Yu. A. Nozhnitskii, Ed. — Moscow: CIAM, 2020. P. 34 – 56 [in Russian].Туманов Н. В., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А., Серветник А. Н. Моделирование устойчивого роста усталостных трещин в дисках турбины авиадвигателей при простых и сложных циклах нагружения / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2009. № 3(19). Ч. 1. С. 188 – 199.Tumanov N. V., Lavrent’eva M. A., Cherkasova S. A., Servetnik A. N. Modeling of steady fatigue crack growth in aero engine disks under simple and complex loading cycles / Vestn. Samar. Gos. Aérokosm. Univ. 2009. N 3(19). Part 1. P. 188 – 199 [in Russian].Туманов Н. В., Лаврентьева М. А. Прогнозирование циклической долговечности дисков авиадвигателей на основе моделирования устойчивого роста трещин малоцикловой усталости / Авиационные двигатели. 2019. № 1(2). С. 37 – 48.Tumanov N. V., Lavrent’eva M. A. Prediction of aero engine disks cyclic life based on modeling steady growth of low cycle fatigue cracks / Aviats. Dvig. 2019. N 1(2). P. 37 – 48 [in Russian].Туманов Н. В., Портер А. М, Лаврентьева М. А. и др. Многомасштабная комплексная фрактодиагностика дисков компрессора авиадвигателей / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2010. № 4(24). С. 98 – 112.Tumanov N. V., Porter A. M., Lavrent’eva M. A., et al. Multi-scale complex fractodiagnostics of aero engine compressor disks / Vestn. Samar. Gos. Aérokosm. Univ. 2010. N 4(24). P. 98 – 112 [in Russian].Сачин В. М., Туманов Н. В., Лаврентьева М. А., Черкасова С. А. Комплексная фрактодиагностика флаттера рабочего колеса вентилятора / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 3(27). Ч. 2. С. 185 – 194.Sachin V. M., Tumanov N. V., Lavrent’eva M. A., Cherkasova S. A. Complex fractodiagnostics of aero engine fan blades flatter / Vestn. Samar. Gos. Aérokosm. Univ. 2011. N 3(27). Part 2. P. 185 – 194 [in Russian]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.