Циклическое поведение жаропрочных никелевых сплавов ЭП741НП и ЭИ698ВД при жестком нагружении

Исследовано циклическое поведение жаропрочных никелевых сплавов ЭП741НП и ЭИ698ВД в области малоцикловой усталости при жестком отнулевом режиме испытаний образцов в широком диапазоне размахов деформаций и температур. Проанализированы зависимости амплитуды напряжений, среднего напряжения цикла и размаха пластической деформации от числа циклов. Выделены три стадии циклического поведения материалов: первая — стадия неустановившегося поведения, на которой может происходить как упрочнение или разупрочнение, так и смена упрочнения разупрочнением; вторая — стадия установившегося упрочнения, разупрочнения или стабильности; третья — стадия, связанная с развитием трещины. Предложены качественные и количественные параметры, позволяющие определять на основе анализа зависимости размаха пластических деформаций от номера цикла долю первой стадии циклической нестабильности в общей циклической долговечности и характер поведения материалов на первой и второй стадиях. Для обоих сплавов отмечено отсутствие циклической стабильности практически во всем диапазоне испытаний. Показано, что вклад первой стадии в общую долговечность может составлять до 30 %, причем он тем больше, чем выше размах деформации. Выявлена зависимость характера поведения материалов от температуры. Сплав ЭП741НП на первой и второй стадиях при комнатной температуре разупрочняется, а при повышенных температурах 300, 450 и 600 °C склонен к упрочнению. Сплав ЭИ698ВД на первой стадии при 20 и 400 °C упрочняется, а при 650 °C уже склонен к разупрочнению. На второй стадии сплав ЭИ698ВД при 20 и 650 °C имеет тенденцию к разупрочнению, при 400 °C — к упрочнению. При размахах деформаций 0,6 и 0,7 % оба сплава можно считать циклически стабильными на второй стадии во всем диапазоне температур.

1. Биргер И. А., Балашов Б. Ф., Дульнев Р. А. и др. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение, 1981. — 222 с.

2. Иноземцев А. А., Сандрацкий В. Л. Газотурбинные двигатели. — Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2006. — 1204 с.

3. Chaboche J. L. A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories / International Journal of Plasticity. 2008. Vol. 24. Issue 10. P. 1642 – 1693. DOI: 10.1016/j.ijplas.2008.03.009

4. Махутов Н. А., Гаденин М. М., Чернявский О. Ф., Чернявский А. О. Исследования свойств материалов при сложных условиях малоциклового деформирования / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 7. С. 49 – 58. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-7-49-58

5. Temis Y. M. Mathematical simulation of low-cycle fatigue of high-loaded engine parts / Propulsion and power research. 2018. Vol. 7. Issue 4. P. 277 – 287. DOI: 10.1016/j.jppr.2018.11.006

6. Бондарь В. С., Абашев Д. Р., Петров В. К. Сравнительный анализ вариантов теорий пластичности при циклических нагружениях / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 2. С. 23 – 44. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.2.02

7. Махутов Н. А., Гаденин М. М., Чернявский О. Ф., Чернявский А. О. Механические свойства материалов в расчетах малоциклового деформирования конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 6. С. 52 – 59. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-6-52-59

8. Kang G., Kan Q. Cyclic Plasticity of Engineering Materials: experiments and models. — John Wiley & Sons, 2017. — 543 p.

9. Li D. H., Li M., Shang D.-G., et al. Physically-based modeling of cyclic softening and damage behaviors for a martensitic turbine rotor material at elevated temperature / International Journal of Fatigue. 2021. Vol. 142. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105956

10. Banerjee A., Sahu J. K., Paulose N., et al. Micromechanism of cyclic plastic deformation of alloy IN718 at 600°C / Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2016. Vol. 39. Issue 7. P. 877 – 885. DOI: 10.1111/ffe.12406

11. Ma L., Zhang L., Guo F., et al. High-temperature mechanical behavior assessment based on a developed constitutive model of Inconel 718 fabricated by selective laser melting / Advanced Engineering Materials. 2021. Vol. 23. Issue 8. DOI: 10.1002/adem.202100232

12. Chen G., Zhang Y., Xu D. K., et al. Low cycle fatigue and creep-fatigue interaction behavior of nickel-base superalloy GH4169 at elevated temperature of 650°C / Material Science & Engineering A. 2016. Vol. 655. P. 175 – 182. DOI: 10.1016/j.msea.2015.12.096

13. Wang R.-Z., Zhu S.-P., Wang J., et al. High temperature fatigue and creep-fatigue behaviors in Ni-based superalloy: damage mechanisms and life assessment / International Journal of Fatigue. 2018. Vol. 118. P. 8 – 21. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.05.008

14. Li H., Jing H., Xu L., et al. Microstructure mechanism, cyclic deformation behavior of an Fe-Ni0Cr alloy considering non-Masing behavior/ Internationl Journal of Fatigue. 2019. Vol. 127. P. 537 – 550. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.06.035

15. Brommesson R., Ekh M., Persson C. Experimental observations and modeling of cyclic and relaxation behaviour of the Ni-based superalloy Haynes 282 / International Journal of Fatigue. 2016. Vol. 87. P. 180 – 191. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2016.01.027

16. Гарибов Г. С. Создание технологии металлургии гранул жаропрочных никелевых сплавов — наиболее яркая страница в истории развития всероссийского института легких сплавов / Технология легких сплавов. 2021. № 2. С. 38 – 47. DOI: 10.24412/0321-4664-2021-2-38-47

17. Логунов А. В., Шмотин Ю. Н. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисков газовых турбин (материалы и технологии). — М.: Наука и технологии, 2013. — 264 с.

18. Машиностроение. Энциклопедия. Цветные металлы и сплавы. Том II-3. Композиционные металлические материалы / Под общ. ред. И. Н. Фридляндера. — М.: Машиностроение, 2001. — 880 с.

19. Авиационные материалы. Справочник. В 9 т. Т. 3. Жаропрочные стали и сплавы. Ч. 1. Деформируемые жаропрочные стали и сплавы: Сплавы на основе тугоплавких металлов / Под общ. ред. чл.-корр. АН СССР А. Т. Туманова. — М.: ОНТИ, 1989. — 567 с.

20. Терентьев В. Ф. Усталость металлических материалов. — М.: Наука, 2003. — 254 с.

21. Серветник А. Н., Волков М. Е. Экспериментальные исследования скачкообразной пластической деформации в жаропрочных никелевых сплавах для дисков АГТД / Сборник тезисов НТКД-2018. Т. 2. — Москва, 2018. — 342 с.