О влиянии предварительного пластического деформирования на малоцикловую усталость титанового сплава в условиях глубокого охлаждения
Рассмотрены результаты исследования малоцикловой усталости титанового сплава ПТ3В (основа - Ti 4,5%Al, 2,1%V) при температурах 293, 77 и 4,2 К с учетом влияния на долговечность величины предварительной пластической деформации (0,05; 1,0; 3,0%), реализованной в материале при тех же температурах. Для...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2000 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2000
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46367 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | О влиянии предварительного пластического деформирования на
 малоцикловую усталость титанового сплава в условиях
 глубокого охлаждения / В.А. Стрижало // Проблемы прочности. — 2000. — № 6. — С. 54-60. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860259894992568320 |
|---|---|
| author | Стрижало, В.А. |
| author_facet | Стрижало, В.А. |
| citation_txt | О влиянии предварительного пластического деформирования на
 малоцикловую усталость титанового сплава в условиях
 глубокого охлаждения / В.А. Стрижало // Проблемы прочности. — 2000. — № 6. — С. 54-60. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Рассмотрены результаты исследования малоцикловой усталости титанового сплава ПТ3В (основа - Ti 4,5%Al, 2,1%V) при температурах 293, 77 и 4,2 К с учетом влияния на долговечность величины предварительной пластической деформации (0,05; 1,0; 3,0%), реализованной в материале при тех же температурах. Для уменьшения трудоемкости и стоимости испытаний при их планировании и обработке результатов использованы методы математического планирования эксперимента и факторного анализа. Установлено, что наиболее существенно долговечность исследованного сплава снижается при температуре испытаний 4,2 К для деформации 3,0%, реализованной в жидком гелии.
Розглянуто результати дослідження малоциклової втоми титанового сплаву ПТ3В (основа - Ті, 4,5%Al, 2,1%V) за температур 293, 77 та 4,2 К з урахуванням впливу на довговічність величини попередньої пластичної деформації (0,05; 1,0; 3,0%), що реалізується в матеріалі за вказаних температур. Для зменшення трудомісткості та вартості випробувань при їх плануванні й обробці результатів використано методи математичного планування експерименту і факторного аналізу. Встановлено, що найбільш суттєво довговічність досліджуваного сплаву знижується за температури випробувань 4,2 К для деформації 3,0%, що реалізується в рідкому гелії.
We discuss low-cycle fatigue test results. obtained for PT3V titanium alloy (Ti-base, 4.5%Al, 2.1%V) at the temperatures of 293, 77 and 4.2 K, with an account made for the influence of the preliminary plastic deformation (0.05, 1.0, and 3.0%) achieved in the material at the same temperatures on the fatigue life of specimens. In order to optimize labor input and cost of tests, we used methods of mathematical test planning and factor analysis for planning of tests and processing their results. We established that the fatigue life of the alloy under study is reduced most drastically under conditions of test temperature of 4.2 K and pre-deformation of 3.0% achieved in the liquid helium environment.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:54:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4
О влиянии предварительного пластического деформирования на
малоцикловую усталость титанового сплава в условиях
глубокого охлаждения
В. А. Стрижало
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Рассмотрены результаты исследования малоцикловой усталости титанового сплава ПТ3В
(основа - Д 4,5%А1, 2,1%У) при температурах 293, 77 и 4,2 К с учетом влияния на
долговечность величины предварительной пластической деформации (0,05; 1,0; 3,0%), реа
лизованной в материале при тех же температурах. Для уменьшения трудоемкости и
стоимости испытаний при их планировании и обработке результатов использованы ме
тоды математического планирования эксперимента и факторного анализа. Установлено,
что наиболее существенно долговечность исследованного сплава снижается при темпе
ратуре испытаний 4,2 К для деформации 3,0%, реализованной в жидком гелии.
К лю ч е вы е с ло в а : малоцикловая усталость, криогенные температуры, плани
рование эксперимента, факторы, долговечность
Особенности упругопластического деформирования и разрушения мате
риалов при малоцикловом нагружении обусловлены рядом эксплуатацион
ных и технологических факторов, среди которых можно выделить темпе
ратурные условия эксплуатации и предварительное пластическое деформи
рование материала в процессе изготовления конструкции и ее транспор
тировки. При оценке несущей способности и долговечности криогенных
конструкций ограниченного ресурса влияние этих факторов необходимо
учитывать, поскольку, как показали исследования, оно может быть весьма
существенным для определенного сочетания низких температур и уровней
пластических деформаций [1]. Ниже рассмотрены результаты эксперимен
тального исследования такого влияния на малоцикловую усталость тита
нового сплава ПТ3В (основа - Т1, 4,5%А1, 2,1%У) в области криогенных
температур.
Испытания проводили на плоских образцах (размеры рабочей части
4 Х3,5 Х30 мм) при температурах 293 К (на воздухе), 77 К (в жидком азоте)
и 4,2 К (в жидком гелии). Образцы подвергали повторному пульсирующему
нагружению с частотой, близкой к 2 цикл/мин, при этом максимальная
нагрузка поддерживалась постоянной в течение всей длительности испы
таний.
Величину предварительной деформации задавали при однократном ста
тическом нагружении образца на трех уровнях: 0,05; 1,0 и 3,0% при тем
пературах 293; 77 и 4,2 К.
Низкотемпературные испытания проводили в специальных камерах и
криостатах, обеспечивающих поддержание постоянной температуры в тече
ние всей длительности испытаний и малые расходы хладагентов [2 ].
По долговечности область малоцикловой усталости соответствует ин
тервалу числа циклов от 0,5 до 5-104, и на больших базах такие испытания
© В. А. СТРИЖАЛО, 2000
54 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6
О влиянии предварительного пластического деформирования
характеризуются достаточно большой продолжительностью по времени и
трудоемкостью, что при испытаниях в условиях криогенных температур
приводит к значительным материальным затратам ввиду использования
дорогостоящих хладагентов, в частности жидкого гелия, и прецизионной
технической базы для глубокого охлаждения. В нашем случае необходимо
было исследовать влияние нескольких факторов на малоцикловую уста
лость, что при реализации традиционных подходов к изучению много
факторных процессов на основе классического планирования эксперимента
обусловливает его усложнение и удорожание. При таком планировании весь
цикл исследований представляет собой набор однофакторных эксперимен
тов, в каждом из которых изучается влияние какого-либо одного фактора
при постоянстве других. При этом общее число опытов весьма большое
даже при сравнительно небольшом количестве изучаемых факторов и при
нятых их уровней.
Один из возможных путей решения проблемы многофакторного экспе
римента, обеспечивающий уменьшение трудоемкости и стоимости прово
димых исследований наряду с повышением точности результатов, - при
менение методов математического планирования эксперимента и фактор
ного анализа [3, 4]. Это позволит существенно сократить общее число
опытов и оптимально использовать факторное пространство при одновре
менном варьировании всеми независимыми переменными, обеспечивая тем
самым повышение точности результатов.
В зависимости от характера факторов (непрерывный, дискретный или
смешанный), включенных в эксперимент, и их количества можно применять
различные планы. В нашем случае изучалось влияние предварительной
деформации (X 2) и температуры (X 3), при которой эта деформация зада
ется, на долговечность в зависимости от уровня максимальных напряжений
цикла (X 1) и температуры испытаний на малоцикловую усталость (X 4 ). В
качестве функции отклика принят логарифм долговечности у = ^ N р, где
Жр - число циклов до разрушения.
Полученные ранее [5, 6] результаты для образцов в исходном состо
янии при температурах 293, 77 и 4,2 К свидетельствуют, что при мало
цикловой усталости функция отклика нелинейно зависит от X 1, а ряд
дисперсий однороден. Поэтому представляется целесообразным использо
вать нелинейную по независимым параметрам X i модель, а для этого
необходимо, чтобы все факторы варьировались не менее чем на трех уров
нях, что и было реализовано, как отмечалось выше, для факторов X 2 и X 3 .
Величину уровней X 1 устанавливали по кривой малоцикловой усталости
для образцов в исходном состоянии.
Анализ известных данных о малоцикловой усталости также показывает,
что циклическая прочность материала существенно зависит от температуры
испытаний [5, 6]. Следовательно, поскольку факторы X 1 и X 4 являются
зависимыми, они не могут быть включены в план эксперимента. В связи с
этим весь объем рассматриваемых исследований был разбит на блоки по
параметру X 4, в каждом из которых исследования проводились только для
факторов X 1, X 2 , X 3 отдельно при температурах 293, 77 и 4,2 К.
ISSN ОЗЗб-ПШ. Проблемы прочности, 2000, № 6 55
В. А. Стрижало
Дискретный характер уровней X 3 и их несимметричное расположение
обусловило использование факторного планирования эксперимента.
План полного факторного эксперимента, в котором три фактора варьи
руются на трех уровнях (33), включает 27 опытов (рис. 1). По результатам
такого эксперимента можно построить полную факторную модель, содер
жащую 27 членов и поэтому обеспечивающую получение избыточной ин
формации, так как эффекты взаимодействий высших порядков редко оказы
ваются статистически значимыми.
Х3 а
Рис. 1. Схема полного 33 ( • ) и дробного 33 1 (0) факторного эксперимента.
Поскольку на практике чаще всего применяют неполные факторные
модели и соответствующие им дробные факторные планы, в нашем случае
для описания зависимости долговечности от исследуемых факторов исполь
зована модель главных эффектов, содержащая семь членов:
у = в 0 + в X 1 + в 2X 2 + в 3X 3 + в 11(X 1)2 + в 22(X 2 )2 + в 33 (X 3 )2 , (1)
где X I и (X I ) - натуральные значения уровней факторов. Ближайшим по
числу опытов планом, в котором факторы варьируются на трех уровнях,
является план дробного факторного эксперимента 33-1. По результатам
такого эксперимента, содержащего всего девять опытов, условия проведе
ния которых представлены на рис. 1, можно получить выборочные оценки
параметров модели (1).
Реализацию опытов факторного плана производили в случайном поряд
ке.
Оценка статистической значимости коэффициентов модели (1), полу
ченных в результате эксперимента, показала, что их количество зависит от
температуры испытаний. Адекватные модели, записанные в натуральных
значениях факторов для исследованных температур с учетом статистически
значимых коэффициентов, имеют следующий вид:
56 ОЗЗб-ПШ. Проблемы прочности, 2000, № 6
О влиянии предварительного пластического деформирования
для температуры 293 К -
у = -22,015 + 0,94а тах - 0 , 0 5 9 - 0,0000833 а ^ (2)
для температуры 77 К -
у = -53 ,652 + 0,1072а max - 0,0677епп - 0,0000499а max; (3)
для температуры 4,2 К -
у = 5,3240 + 0,0131аmax - 0,2060£пп + 0,0046Тпп - 0,0000122Тп2п , (4)
где а max - максимальные напряжения цикла; £пп - величина предвари
тельной пластической деформации; Тпп - температура предварительного
деформирования.
На рис. 2 приведены результаты эксперимента и расчета для титанового
сплава ПТ3В в исходном состоянии и предварительно деформированного
при заданных температурах. Данные о малоцикловой усталости материала в
исходном состоянии представлены доверительными областями 1 без соот
ветствующих экспериментальных точек для ясности графиков. Там же пока
заны рассчитанные по моделям (2)-(4) 95%-ные доверительные области
кривых малоцикловой усталости при £пп = 3% и Тпп = 77 К (область 3) и
4,2 К (область 2).
Общая закономерность полученных экспериментальных данных заклю
чается в том, что с понижением температуры испытаний циклическая проч
ность материала в исходном состоянии и предварительно деформирован
ного увеличивается. При этом предварительное деформирование вызывает в
общем случае снижение долговечности по сравнению с исходным мате
риалом, особенно при температуре 4,2 К. Температура предварительного
деформирования оказывает существенное влияние на долговечность также
при температуре испытаний на малоцикловую усталость 4,2 К.
Сопоставление рассчитанных по моделям данных с эксперименталь
ными свидетельствует о том, что при принятом 5%-ном уровне значимости
полученные модели в соответствии с критерием Фишера достаточно точно
описывают кривые малоцикловой усталости предварительно деформиро
ванных образцов из сплава ПТ3В. Отметим, что при X 2 = 0 построенные
по уравнениям (2)-(4) кривые малоцикловой усталости совпадают с экспе
риментальными кривыми для недеформированных образцов.
Необходимо подчеркнуть, что в отличие от коэффициентов интерпо
ляционных уравнений, которые можно получить по результатам однофак
торного эксперимента, коэффициенты модели (1) имеют определенный фи
зический смысл: их величина и знак отражают степень и характер влияния
того или иного фактора или их взаимодействия. Так, сопоставление урав
нений (2)-(4) показывает, что температура предварительного деформиро
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 6 57
В. А. Стрижало
вания для области исследованных деформаций 0,05...3,0% практически не
оказывает влияния на долговечность сплава ПТ3В при температурах испы
таний 293 и 77 К (коэффициенты в з и в 33 статистически незначимы) и
вызывает изменение долговечности при 4,2 К (коэффициенты в 3 и в 33
статистически значимы). Этот вывод подтверждается результатами экспе
римента (рис. 2).
® т ах,М П а
то
то
т
1250
у / \
л
/д ...
ю Ю Нр,цикл
Рис. 2. 95%-ные доверительные области кривых малоцикловой усталости сплава ПТ3В при
температурах 293 К (а), 77 К (б) и 4,2 К (в): точки без кружков - результаты прямых
экспериментов для проверки разработанных моделей; точки с кружками - результаты опытов
дробного факторного плана.
Разработанные модели также позволяют учесть экспериментально уста
новленный факт усиления влияния предварительной деформации на долго
вечность при понижении температуры испытаний на малоцикловую уста
лость: величина деформации является определяющей в формировании дол
говечности при температуре жидкого гелия (4,2 К). Наиболее существенное
смещение кривых малоцикловой усталости в область меньших долговеч
ностей наблюдается для сплава ПТ3В при температуре испытаний 4,2 К для
деформации 3,0%, реализуемой в жидком гелии (рис. 2,в).
в
58 НЗЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6
О влиянии предварительного пластического деформирования
В ы в о д ы
1. Экспериментальная проверка показала достаточно хорошую адекват
ность разработанных математических моделей для описания малоцикловой
усталости конструкционного сплава после его предварительного деформи
рования в низкотемпературных условиях. Как следует из приведенных на
рис. 2 данных, все экспериментальные точки попадают в 95%-ные довери
тельные области 2 и 3, рассчитанные по моделям для соответствующих
условий нагружения.
2. Использование дробных факторных планов позволяет существенно
сократить трудоемкость и стоимость многофакторных испытаний на мало
цикловую усталость. Для решения поставленной задачи традиционными
методами потребовалось бы испытать в соответствии с требованиями стан
дартов на малоцикловую усталость до 150 образцов; использование методов
планирования дало возможность сократить объем испытаний более чем на
один порядок. При этом с помощью полученных моделей можно прогно
зировать долговечность для любых значений факторов из области плани
рования.
Р е з ю м е
Розглянуто результати дослідження малоциклової втоми титанового сплаву
ПТ3В (основа - Ті, 4,5%А1, 2,1%У) за температур 293, 77 та 4,2 К з
урахуванням впливу на довговічність величини попередньої пластичної
деформації (0,05; 1,0; 3,0%), що реалізується в матеріалі за вказаних темпе
ратур. Для зменшення трудомісткості та вартості випробувань при їх плану
ванні й обробці результатів використано методи математичного планування
експерименту і факторного аналізу. Встановлено, що найбільш суттєво
довговічність досліджуваного сплаву знижується за температури випробу
вань 4,2 К для деформації 3,0%, що реалізується в рідкому гелії.
1. С т риж ало В. А., М едведь И. И . Влияние предварительного пласти
ческого деформирования на малоцикловую усталость хромомарган
цевой стали 03Х13АГ19 при температуре 4,2 К // Пробл. прочности. -
1986. - № 5. - С. 62 - 67.
2. П исаренко Г. С., С т риж ало В. А . Экспериментальные методы в меха
нике деформируемого твердого тела. - Киев.: Наук. думка, 1986. -
246 с.
3. С т риж ало В. А., М едведь И. И . Планирование эксперимента при
механических испытаниях. - Киев, 1985. - 51 с. - (Препр. / АН УССР.
Ин-т пробл. прочности.)
4. Н овик Ф. С., А рсов Л. Б. Оптимизация процессов технологии металлов
методами планирования эксперимента. - М.: Машиностроение; София:
Техника, 1980. - 304 с.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6 59
В. А. Стрижало
5. С т риж ало В. А ., Зинченко А. И . Влияние глубокого охлаждения на
особенности деформирования и разрушения титановых сплавов в ма
лоцикловой области // Изв. АН СССР. Металлы. - 1980. - № 4. - С. 184
- 190.
6 . С т риж ало В. А., М едведь И. И . Влияние глубокого охлаждения на
малоцикловую усталость титанового сплава ПТ3В // Пробл. прочности.
- 1986. - № 6 . - С. 52 - 55.
Поступила 24. 12. 99
60 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46367 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:54:15Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Стрижало, В.А. 2013-06-29T16:35:25Z 2013-06-29T16:35:25Z 2000 О влиянии предварительного пластического деформирования на
 малоцикловую усталость титанового сплава в условиях
 глубокого охлаждения / В.А. Стрижало // Проблемы прочности. — 2000. — № 6. — С. 54-60. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46367 539.4 Рассмотрены результаты исследования малоцикловой усталости титанового сплава ПТ3В (основа - Ti 4,5%Al, 2,1%V) при температурах 293, 77 и 4,2 К с учетом влияния на долговечность величины предварительной пластической деформации (0,05; 1,0; 3,0%), реализованной в материале при тех же температурах. Для уменьшения трудоемкости и стоимости испытаний при их планировании и обработке результатов использованы методы математического планирования эксперимента и факторного анализа. Установлено, что наиболее существенно долговечность исследованного сплава снижается при температуре испытаний 4,2 К для деформации 3,0%, реализованной в жидком гелии. Розглянуто результати дослідження малоциклової втоми титанового сплаву ПТ3В (основа - Ті, 4,5%Al, 2,1%V) за температур 293, 77 та 4,2 К з урахуванням впливу на довговічність величини попередньої пластичної деформації (0,05; 1,0; 3,0%), що реалізується в матеріалі за вказаних температур. Для зменшення трудомісткості та вартості випробувань при їх плануванні й обробці результатів використано методи математичного планування експерименту і факторного аналізу. Встановлено, що найбільш суттєво довговічність досліджуваного сплаву знижується за температури випробувань 4,2 К для деформації 3,0%, що реалізується в рідкому гелії. We discuss low-cycle fatigue test results. obtained for PT3V titanium alloy (Ti-base, 4.5%Al, 2.1%V) at the temperatures of 293, 77 and 4.2 K, with an account made for the influence of the preliminary plastic deformation (0.05, 1.0, and 3.0%) achieved in the material at the same temperatures on the fatigue life of specimens. In order to optimize labor input and cost of tests, we used methods of mathematical test planning and factor analysis for planning of tests and processing their results. We established that the fatigue life of the alloy under study is reduced most drastically under conditions of test temperature of 4.2 K and pre-deformation of 3.0% achieved in the liquid helium environment. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел О влиянии предварительного пластического деформирования на малоцикловую усталость титанового сплава в условиях глубокого охлаждения On the Influence of the Preliminary Plastic Deformation on the Low-Cycle Fatigue Strength of Titanium Alloy under Cryogenic-Temperature Conditions Article published earlier |
| spellingShingle | О влиянии предварительного пластического деформирования на малоцикловую усталость титанового сплава в условиях глубокого охлаждения Стрижало, В.А. Научно-технический раздел |
| title | О влиянии предварительного пластического деформирования на малоцикловую усталость титанового сплава в условиях глубокого охлаждения |
| title_alt | On the Influence of the Preliminary Plastic Deformation on the Low-Cycle Fatigue Strength of Titanium Alloy under Cryogenic-Temperature Conditions |
| title_full | О влиянии предварительного пластического деформирования на малоцикловую усталость титанового сплава в условиях глубокого охлаждения |
| title_fullStr | О влиянии предварительного пластического деформирования на малоцикловую усталость титанового сплава в условиях глубокого охлаждения |
| title_full_unstemmed | О влиянии предварительного пластического деформирования на малоцикловую усталость титанового сплава в условиях глубокого охлаждения |
| title_short | О влиянии предварительного пластического деформирования на малоцикловую усталость титанового сплава в условиях глубокого охлаждения |
| title_sort | о влиянии предварительного пластического деформирования на малоцикловую усталость титанового сплава в условиях глубокого охлаждения |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46367 |
| work_keys_str_mv | AT strižalova ovliâniipredvaritelʹnogoplastičeskogodeformirovaniânamalociklovuûustalostʹtitanovogosplavavusloviâhglubokogoohlaždeniâ AT strižalova ontheinfluenceofthepreliminaryplasticdeformationonthelowcyclefatiguestrengthoftitaniumalloyundercryogenictemperatureconditions |