Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Рост трещины в условиях высокотемпературной усталости и ползучести порошковых жаропрочных сплавов

28.01.2020

Развитие трещины может происходить как при статическом, так и при динамическом нагружении, при комнатной или повышенной температурах. Как и в случае зарождения трещины, вид разрушения, которым определяется скорость ее роста, зависит от Т, времени (и частоты) нагружения, коэффициента R, времени выдержки под нагрузкой и окружающей среды.

Скорость распространения трещины обычно выражают величиной da/dN (увеличение длины трещины за один цикл при циклических условиях нагружения) или da/dt (скорость роста трещины при монотонном нагружении). Связь между этими двумя параметрами определяется частотой нагружения v:
Рост трещины в условиях высокотемпературной усталости и ползучести порошковых жаропрочных сплавов

Процесс распространения трещины при циклическом нагружении с постоянной амплитудой обычно связан с параметрами механики разрушения. Так, можно установить корреляцию между скоростью роста трещины (da/dN) и коэффициентом интенсивности циклических напряжений,

где о — амплитуда напряжений, а — длина трещины, а — геометрический параметр. Хотя величина AK характеризует лишь упругое поведение материала, для жаропрочных сплавов эта концепция применима вплоть до высоких температур, как это было со всей очевидностью доказано для сплава U700. Однако в тех случаях, когда применение теории упругости оказывается неправомерным вследствие экстремальных условий нагружения или по геометрическим соображениям, следует использовать параметр, имеющий более общий характер, циклический интеграл J. Впервые такой подход был применен Доулингом и Бегли, которые использовали не интеграл J, а его приращение AJ. В работах было показано, что при определенных условиях этот подход физически оправдан, если используется не приращение AJ, а сам J-интеграл. Во многих случаях наблюдается хорошая корреляция между величиной диапазона неупругих деформаций и скоростью роста усталостной трещины в области больших деформаций. Однако детальное исследование Хаунга и Пеллу показало, что эти соотношения применимы не всегда.

Для описания взаимосвязи между наблюдаемой скоростью роста трещины и коэффициентом интенсивности циклических напряжений АК было предложено большое число разных формул. Пэрис и Эрдоган предложили простое соотношение:

где C и m — константы материала. Однако при средних и повышенных температурах зависимость скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений и T носит сложный характер, что затрудняет использование уравнения (5.6). Наиболее удобен способ представления результатов с помощью модели SINH, разработанной исследователями фирмы «Pratt and Whitney». Впервые эта модель была использована при изучении влияния частоты нагружения на скорость роста трещины в сплаве IN100. Модель основана на уравнении:

коэффициенты которого, как было показано, являются функциями частоты нагружения, коэффициента R и Т: Ci — константа материала (0,5 для большинства сплавов на основе никеля); C2 — функция r, v и T; C3 = f (C4, v, R) и C4 = g(v, R, Т). Хотя модель не имеет физического смысла, ее достоинством является то, что она позволяет описывать общий ход зависимости da/dN от АК при изменении скорости роста трещины на несколько порядков, а также отражает влияние частоты нагружения, концентрации напряжений и Т, как это схематически показано на рис. 5.42. При изменении любой из трех переменных точка перегиба на кривой зависимости da/dN от АК смещается вдоль прямой линии, в чем, в частности, и проявляется влияние этой переменной

При повышенных температурах наряду с усталостным механизмом роста трещины важную роль играет ее рост вследствие ползучести. Математический анализ полей напряжений и деформаций у вершины острой трещины в условиях ползучести был приведен Риделем и Райсом. Они установили, что, если размеры зоны пластической деформации малы по сравнению с размерами образца, скорость роста трещины по механизму ползучести определяется величиной коэффициента интенсивности упругих напряжений К. Вследствие ползучести размеры зоны пластической деформации с течением времени увеличиваются. Когда они становятся сравнимыми с размерами образца, определяющее значение приобретает не зависящий от пути распространения трещины интеграл С, который получается если в интеграле J члены, зависящие от степени деформации, заменить соответствующими членами, зависящими от скорости деформации. Момент перехода из K-режима в S*-режим может быть установлен расчетным путем. Закономерности роста трещины по механизму ползучести в высокопрочных сплавах с низкой пластичностью и большим сопротивлением ползучести могут быть удовлетворительно описаны при помощи параметра К.

Последующие разделы посвящены детальному обсуждению влияния различных факторов на скорость роста трещины. В табл. 5.12 представлен краткий обзор ряда недавних работ, посвященных исследованию роста трещин в порошковых жаропрочных сплавах.


Влияние T на скорость роста усталостной трещины. При низких температурах скорость роста трещины может быть выражена степенной функцией от отношения параметра АК к модулю упругости. Необходимость нормировки (деления на модуль упругости) впервые продемонстрировал Пирсон. Наиболее точно согласуются с теорией данные Шпиделя, который проводил испытания в вакууме, чтобы исключить взаимодействие со средой.

При Т>0,5Тm наблюдается более быстрое увеличение скорости роста трещины, которая определяется микроструктурным (размер зерна) и временным факторами.

В этой области температурную зависимость скорости роста усталостной трещины определяют два различных процесса собственно усталостный процесс накопления повреждений, зависящий от числа циклов нагружения, и процесс, зависящий от времени При этом, если составляющая скорости роста трещины, зависящая от числа циклов, по-прежнему связана с модулем упругости, то ее вторую компоненту, зависящую от времени, определяют эффекты ползучести и влияние внешней среды (эти факторы могут быть взаимосвязаны). Изменяя микроструктуру сплава, можно существенно влиять на временную составляющую скорости роста трещины. Подробнее этот вопрос обсуждается ниже.

Шахиниан и Садананда, а также Джеймс изучали влияние T на скорость роста трещины в некоторых жаропрочных сплавах на основе никеля. На рис. 5.43 в виде полосы рассеяния данных представлены полученные этими авторами скорости роста усталостных трещин при K=33 МПа*м1/2. Приведены также скорости роста трещины в порошковых, литых и деформированных и литых жаропрочных сплавах. На основании этих данных можно сделать вывод, что при средних значениях К скорости роста усталостных трещин в никелевых жаропрочных сплавах находятся в пределах одной полосы рассеяния. Расширение этой полосы с ростом T указывает на то, что в высокотемпературной области важное значение приобретают временные эффекты. Различие в скоростях роста трещины может быть отчасти связано с разной частотой нагружения при испытаниях. Если учесть, что частота нагружения при испытании указанных на рис. 5.43 материалов составляла от 0,17 Гц до 60 Гц, следует заключить, что влияние этого параметра (для данного круга материалов при данных температурах и в указанном частотном диапазоне) незначительно. Можно, однако, ожидать, что при дальнейшем понижении частоты или повышении T эффекты, обусловленные частотой нагружения, окажутся намного более сильными. Свой вклад в рассеяние данных вносит также размер зерна. Общая тенденция состоит в том, что мелкозернистые материалы проявляют более высокие скорости роста трещины, чем грубозернистые. Микроструктура, и в частности размер зерна, начинают оказывать особенно большое влияние на распространение усталостных трещин, когда величина АК становится малой. Это явление рассматривается в дальнейшем.

Фактором, влияющим на скорость роста усталостной трещины, является также воздействие воздушной среды, которая при повышенных температурах становится агрессивной. Так например, Аннис и др. обнаружили корреляцию между температурными зависимостями скорости роста усталостной трещины в порошковом сплаве IN100 при испытаниях на воздухе и скорости окисления. Было установлено, что при Т~732 °С в этом сплаве наблюдается изменение кинетики окисления, сопровождающееся увеличением энергии активации. При низких температурах кинетика окисления описывается линейным законом, а при высоких — параболическим, что согласуется с резким увеличением скорости роста трещины.

Приведенные данные показывают, что влияние T на скорость роста усталостных трещин — явление достаточно сложное, так как оно зависит от целого ряда различных параметров, часть из которых более подробно обсуждается в последующих разделах.

Влияние частоты нагружения на скорость роста усталостной трещины. Связь роста трещины при высокотемпературной усталости с термически активируемыми процессами проявляется, в частности, в сильной зависимости скорости роста от частоты нагружения. Общий характер этой зависимости иллюстрируется рис. 5.44, где приведены данные, полученные при постоянных температурах 640 и 750 °C (V — частота) на порошковом сплаве Astroloy. Аналогичные зависимости скорости роста усталостной трещины от частоты установлены и для ряда других никелевых жаропрочных сплавов. При высоких температурах и низких частотах доминирующими являются процессы, зависящие от времени (скорость роста обратно пропорциональна частоте), тогда как в области низких температур и высоких частот преобладают процессы, зависящие от числа циклов. На рис. 5.44 указаны также области, в пределах которых наблюдался тот или иной вид разрушения. В то время как при высоких частотах (и низких температурах) преобладает транскристаллитное разрушение, при низких частотах (и высоких температурах) оно сменяется межкристаллитным. Разрушение носит смешанный характер при средних частотах и температурах, где ползучесть и усталость действуют совместно.

Исследования частотной зависимости скорости роста трещины в никелевых жаропрочных сплавах при испытаниях в инертной среде показали, что и в этих условиях скорость роста увеличивается с уменьшением частоты. Таким образом, этот эффект не сводится к влиянию внешней среды, но связан также и с ползучестью. Однако, агрессивная среда способствует его усилению.

Влияние выдержки под напряжением на рост усталостной трещины. Влияние времени на скорость роста трещины наиболее отчетливо проявляется при повышенных температурах и статических нагрузках (рост трещины по механизму ползучести) или при циклическом нагружении с выдержкой под нагрузкой, в особенности при максимальных значениях коэффициента интенсивности напряжений Kmax.

Влияние времени выдержки под нагрузкой состоит в том, что с его увеличением скорость роста усталостной трещины повышается. Этот эффект показан на рис. 5.45 на примере порошкового сплава Astroloy. Анализ поверхностей разрушения свидетельствует о том, что при низких значениях АК разрушение носит транскристаллитный характер и происходит по определенным кристаллографическим плоскостям. Ho с увеличением времени выдержки под нагрузкой происходит переход к смешанному и далее — к межкристаллитному видам разрушения. Влияние времени выдержки усиливается с увеличением T испытания, что экспериментально доказано для порошковых сплавов Astroloy, AF2-1DA и IN100.

В работах исследовалось влияние пятнадцатиминутной выдержки под напряжением на скорость роста усталостных трещин в семи дисковых сплавах. Как и ожидалось, во всех сплавах наблюдается резкое падение усталостных свойств, хотя количественно это снижение свойств в разных сплавах различно.

Ускорение роста усталостных трещин обусловлено, в основном, двумя факторами: взаимодействием сплава с окружающей средой и размером зерна,

Между коэффициентом интенсивности напряжений и скоростью роста трещины не всегда существует однозначная зависимость. Как показывают испытания образцов порошкового сплава Rene95 и литого деформированного сплава IN718, на скорость роста трещины может влиять также диапазон изменения напряжений при испытании (рис. 5.46). Это влияние особенно сильно при малых значениях АK, когда высокие напряжения приводят к увеличению пороговой величины коэффициента интенсивности напряжений. В этих сплавах наблюдается также общее повышение пороговых значений AK при выдержке под напряжением. Явления увеличения порогового коэффициента интенсивности напряжений и ускорения роста усталостных трещин при выдержке под напряжением могут быть объяснены при помощи модели Шахиниана и Садананды. Согласно этой модели, выдержка под напряжением приводит к образованию у вершины трещины дополнительной зоны пластической деформации, препятствующей ее распространению. Размеры этой зоны зависят от времени и при повышении уровня напряжений увеличиваются быстрее, чем размеры зоны пластической деформации, возникающей под действием циклических нагрузок.

Поэтому положительное влияние «зависящей от времени» зоны пластической деформации сохраняется до более высоких значений коэффициента интенсивности напряжений. Когда размер циклической зоны пластической деформации превысит размер зоны, «зависящей от времени», преобладающим становится циклический механизм роста трещины. После того, как коэффициент интенсивности напряжений превзойдет пороговое значение, начинается быстрый рост трещины путем ее объединения с микротрещинами и порами, образующимися перед ее вершиной в результате ползучести.

По мере того, как увеличивается время выдержки под растягивающим напряжением или уменьшается частота нагружения, преобладающим механизмом деформации становится ползучесть. Пелло и Хуанг измеряли скорость роста трещины по механизму ползучести в порошковом сплаве Astroloy (рис. 5.47) при постоянной нагрузке в некотором диапазоне температур. При увеличении температуры с 655 °C до 756 °С скорость роста трещины возрастает в 10в3 раз. Фрактографическое исследование образцов после разрушения обнаруживает полностью межкристаллитный излом с сеткой микропор по границам зерен.

Согласно Садананде и Шахиниану, рост трещины под статической нагрузкой может сопровождаться как хрупким, так и вязким разрушением. Хрупкое разрушение весьма чувствительно к температуре и воздействию внешней среды и может быть приостановлено, если вблизи вершины трещины возникнет пластическое течение. Вязкое разрушение обусловлено главным образом ползучестью, и в этом случае роль внешней среды не столь существенна.

Скорости роста трещины при усталости и ползучести в данном материале не всегда можно считать независимыми.

На рис. 5.48 представлены результаты испытаний, при которых обеспечивалось чередование этих механизмов роста трещины. После нескольких сотен циклов нагружения с частотой 1 Гц следовала выдержка под нагрузкой, при которой происходил рост трещины по механизму ползучести. При этом скорость роста была повышенной. Этот эффект ускорения сказывался до тех пор, пока трещина в процессе роста не выходила за пределы зоны пластической деформации, образовавшейся у вершины усталостной трещины. Дальнейший рост происходил с начальной скоростью, соответствующей механизму ползучести.

Влияние среды на рост трещины. В последние годы большое внимание уделяется проблеме взаимосвязи между ползучестью, усталостью и воздействием внешней среды в никелевых жаропрочных сплавах. Этому вопросу посвящен, в частности, обзор Флорина.

При v<0,1 Гц такая агрессивная среда, как воздух способна вызвать заметное ухудшение усталостных свойств. Как уже отмечалось, это ухудшение часто сопровождается переходом от транскристаллитного разрушения к межкристаллитному. По мнению ряда авторов, рост трещины по механизмам ползучести и усталости в агрессивной среде следует рассматривать скорее как коррозионное растрескивание под напряжением и коррозионную усталость. Принято считать, что активный элемент из окружающей среды диффундирует в материал по границам зерен, причем скорость диффузии достаточно велика для того, чтобы он постоянно присутствовал перед фронтом распространения трещины, оказывая влияние на скорость ее роста.

Скорости распространения трещины в жаропрочных сплавах на основе никеля, измеренные на воздухе при v больше 0,1 Гц в среднем диапазоне температур и при средних значениях АК, обычно в 2—5 раз выше, чем в инертной среде. Однако при более низких значениях АК накопление продуктов коррозии может способствовать закрытию трещины [126]. Возможно также разветвление трещины под влиянием коррозии. Оба эти явления приводят к уменьшению эффективной величины коэффициента интенсивности напряжений, вследствие чего его пороговое значение может оказаться выше, чем в инертной среде.

В работе изучались скорости роста трещин при ползучести в сплаве Inconel Х750 с разной структурой зернограничных карбидов при испытании в различных средах. Результаты приведены в табл. 5.13. В особо агрессивных средах скорость роста трещины увеличивается на порядок по сравнению со скоростью ее роста в гелии. В менее агрессивных средах скорость роста возрастает примерно втрое. Из табл. 5.13 также видно, что оптимальная морфология зернограничных карбидов зависит от среды испытания. Порошковые жаропрочные сплавы реагируют на агрессивную среду так же, как литые и деформированные. Это доказывает, что на рост трещины влияют главным образом состав сплава и его микроструктура.

Мы уже отмечали важность хрома как элемента, влияющего на стойкость сплава к окислению. Как видно из данных табл. 5.14, сопротивление распространению трещины при испытаниях с выдержкой под напряжением существенно повышается при увеличении содержания Cr. Исходя из общепринятого представления о том, что разрушение гладких образцов при малоцикловой усталости в большой мере определяется ростом трещин (так, например, N5 — число циклов нагружения, приводящее к снижению нагрузки на 5%, — соответствует развитию одной или нескольких трещин длиной около миллиметра), следует ожидать, что Cr будет оказывать аналогичное влияние и на зарождение трещин. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными табл. 5.10, показывающими, что снижение усталостной долговечности в результате выдержки под нагрузкой в течение 900 с становится менее резким при увеличении содержания Cr.

Влияние микроструктуры на скорость роста трещины. Скорости роста усталостных трещин в дисковых сплавах при средних температурах и AK = 33 МПа*м1/2 различаются почти на порядок (см. рис. 5.43). Влияние прочностных свойств материала на скорость роста усталостных трещин противоположно их влиянию на зарождение трещин при малоцикловой усталости. Сплав, прочность которого максимальна, характеризуется, как правило, наиболее высокой скоростью роста трещины. Зависимость скорости роста трещины от предела прочности на растяжение представлена на рис. 5.49.

Бартош рассмотрел возможные способы интерпретации наблюдаемых значений коэффициента С и показателя п, входящих в уравнение Пэриса (5.6), на основе количественных характеристик микроструктуры. Особенно полезным при изучении влияния различных типов структуры в сплаве Rene95 (размер выделений фазы, размер зерна) на усталость при 538 °С оказался закон роста трещины, впервые предложенный Антоловичем и др. Уравнение, описывающее поведение гладкого образца при испытаниях на малоцикловую усталость, с учетом деформационного упрочнения имеет вид:

где E — модуль Юнга, ef — деформация до разрушения, от — предел текучести, с — показатель степени в уравнении Мэнсона — Коффина (5.2), обратно пропорциональный показателю деформационного упрочнения. Величина l представляет собой размер зоны вблизи вершины трещины, в пределах которой, согласно предположению, выполняется соотношение Мэнсона — Коффина. Для сплава Rene95, как оказалось, l по порядку величины близко к диаметру частиц у'-фазы или расстоянию между этими частицами. При малых значениях коэффициента интенсивности напряжений влияние микроструктуры на скорость роста усталостной трещины усиливается. В тот момент, когда размер циклической зоны пластической деформации превзойдет размер зерна, начинается образование вторичных трещин, и влияние микроструктуры уменьшается. Сравнение экспериментальных значений показателя степени в уравнении Пэриса, полученных для различных, главным образом порошковых, жаропрочных сплавов, с величинами, вычисленными по (5.8), обнаруживает удовлетворительное соответствие теории и экспериментов (рис. 5.50).

Важное значение размера циклической зоны пластической деформации было подтверждено в работе, посвященной исследованию влияния микроструктуры на величину порогового коэффициента интенсивности напряжений и припороговый рост трещины в сплаве Nimonic AP1 при комнатной Т. Среди различных микроструктур, образующихся при ГИП, штамповке и термической обработке, были ожерельчатые и полностью ре-кристаллизованные структуры с разным размером зерна, однородным или бимодальным распределением выделений у'-фазы. Во всех материалах при низких значениях АК был обнаружен кристаллографически ориентированный рост трещин, который с увеличением коэффициента интенсивности напряжений сменялся на бороздчатый. Было показано, что этот переход наблюдается, когда размер циклической зоны пластической деформации у вершины трещины становится равным размеру зерна, независимо от остальных характеристик микроструктуры. Кроме того, оказалось, что пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений увеличивается с увеличением размера зерна, хотя распределение частиц у'-фазы также имеет важное значение.

Влияние отношения размера циклической зоны пластической деформации (Rpc) к среднему диаметру зерна (d) и T на морфологию усталостных трещин при испытании на воздухе схематически показано на рис. 5.51. В зависимости от T изменение типа трещин (переход от типа I к типу II) происходит при значениях Rpc/d в интервале примерно от 1 (низкие температуры) до 0,2 (высокие температуры). В той температурной области, где преобладают процессы, зависящие от времени, рост трещин носит межкристаллитный характер.

На рис. 5.52 показано влияние размера зерна на скорость роста усталостной трещины. Малый размер зерна, благоприятный с точки зрения усталостной прочности сплава, соответствует в то же время наибольшей скорости роста трещины. Эта закономерность проявляется при испытаниях в любой среде, хотя в агрессивной среде наблюдаемые скорости роста трещины будут выше.

Размер зерна по-разному влияет на скорости роста трещины при усталости и ползучести. При ползучести крупное зерно и пилообразная форма межзеренных границ повышает сопротивление росту трещины. Ho пилообразные границы не оказывают влияния на рост усталостных трещин. В целом, следовательно, пилообразные границы лучше гладких. Рассмотренные общие закономерности влияния микроструктуры на ползучесть и усталость перечислены в табл. 5.15.

К числу факторов, определяющих скорость роста трещин при ползучести, следует также отнести тип и морфологию зернограничных карбидов. Испытания, проведенные в разных средах, показали, что с изменением среды меняется и оптимальная морфология зернограничных карбидов в сплаве INX 750 (см. также табл. 5.13). Расположенные по границам зерен выделения фазы Ni3Nb, способные уменьшать зернограничное проскальзывание и замедлять зернограничную диффузию, как оказалось, более чем на два порядка снижают скорость роста трещин при ползучести в сплаве IN 718 (испытание на воздухе). Очевидно, что эти закономерности будут справедливы и по отношению к сплавам аналогичного состава, полученным методом порошковой металлургии.

Влияние длины трещины на скорость ее роста при ползучести. Сравнение величин предела выносливости, рассчитанных, исходя из пороговых значений коэффициента интенсивности циклических напряжений, с величинами, полученными экспериментальным путем на гладких образцах, показывает, что трещины разной длины растут с разными скоростями. Мелкие трещины распространяются быстрее длинных, в особенности в припороговой области. Эти различия можно подтвердить прямым измерением скоростей роста мелких трещин.

Один из возможных подходов к описанию механики роста мелких трещин предполагает использование циклического J-интеграла в сочетании с эффективной длиной трещины, рассчитанной по пределу выносливости гладкого образца и пороговому значению коэффициента интенсивности напряжений для длинной трещины.

Измерения скоростей роста коротких трещин проводились на сплаве IN 100, полученном с помощью процесса Геторайзинг. Наблюдавшиеся в этих исследованиях высокие начальные скорости роста мелких трещин, которые снижались с ростом АK, были истолкованы как результат методической погрешности эксперимента, но закономерности их дальнейшего роста реальны и отражают более сильное влияние зернограничных барьеров на распространение коротких трещин. Когда размер зоны пластической деформации превосходит средний размер зерна, скорости роста коротких и длинных трещин неразличимы.

Различие в поведении коротких и длинных трещин связано также с эффектом закрытия трещины. Это было показано Маккарвером и Ритчи на сплаве Rene 95 после штамповки. Они изучали припороговый рост длинных (около 25 мм) и коротких (0,01—0,2 мм) усталостных трещин при R=0,1. Было установлено, что мелкие трещины, в меньшей степени склонные к закрытию, растут с более высокими скоростями.

Ряд других вопросов, связанных с различием в поведении коротких и длинных трещин, также требует разрешения. Это относится к явлениям разветвления трещин, множественного растрескивания и роста трещин в начале стадии I.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: