Измерение и расчет устойчивого роста усталостных трещин

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.

1. Романив 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.

2. 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.

3. 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.

4. Ботвина Л. Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. — М.: Наука, 1989. — 230 с.

5. Ботвина Л. Р. Основы фрактодиагностики. — М.: Техносфера, 2022. — 393 с.

6. Клевцов Г. В., Ботвина Л. Р., Клевцова Н. А., Лимарь Л. В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. — М.: МИСиС, 2007. — 264 с.

7. Лимарь Л. В. Фрактодиагностика авиационных деталей из титановых сплавов. — Верхняя Салда: ОАО «Корпорация «ВСМПО-АВИСМА», 2011. — 157 с.

8. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения. — Киев: Наукова думка, 1978. — 352 с.

9. Кишкина С. И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. — М.: Металлургия, 1981. — 280 с.

10. Машиностроение. Энциклопедия. Физико-механические свойства. Испытания металлических материалов. Т. II-1. — М.: Машиностроение, 2010. — 852 с.

11. González-Velázquez J. L. Fractography and failure analysis. — Cham: Springer, 2018. — 165 p.

12. McEvily A. J. Metal failures: mechanisms, analysis, prevention. — Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2013. — 479 p.

13. Туманов Н. В. Стадийность кинетики усталостных трещин: закономерности и особенности / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 1. С. 58 – 71. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-1-58-71

14. Туманов 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: 10.26896/1028-6861-2021-87-4-52-60

15. 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.

16. Bates R. C., Clark W. G. Fractography and fracture mechanics / Trans. ASM. 1969. Vol. 62. N 2. P. 380 – 389.

17. 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.

18. Иванова В. С., Шанявский А. А. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. — Челябинск: Металлургия, 1988. — 400 с.

19. McEvily A. J., Matsunaga H. On fatigue striations / Scientia Iranica: Transaction on mechanical engineering (B). 2010. Vol. 17. N 1. P. 75 – 82.

20. 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.

21. Яковлева Т. Ю. Локальная пластическая деформация и усталость металлов. — Киев: Наукова думка, 2003. — 236 с.

22. 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.

23. Рыбин В. В., Пациорных А. И., Полиэктов Ю. И. Особенности разрушения высокопрочных литейных сталей при малоцикловой усталости / Проблемы прочности. 1975. № 6. С. 32 – 39.

24. Туманов Н. В. Устойчивый рост усталостных трещин: микромеханизм и математическое моделирование / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 11. С. 52 – 69. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-11-52-69

25. Ножницкий 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: 10.15593/2224-9982/2019.57.05

26. Сиратори М., Миёси Т., Мацусита Х. Вычислительная механика разрушения. — М.: Мир, 1986. — 334 с.

27. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах. Т. 1 / Под ред. Ю. Мураками. — М.: Мир, 1990. — 448 с.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.