Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием

Рассматривается влияние пластического деформирования поверхностного слоя образцов из сплава ЭК79-ИД на характеристики циклической трещиностойкости в диапазоне рабочих температур. Установлено, что пластическое упрочнение поверхностного слоя приводит к повышению порогового коэффициента интенсивност...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Проблемы прочности
Дата:2004
Автори: Павленко, Д.В., Грязнов, Б.А., Яценко, В.К., Ежов, В.Н., Орлов, М.Р.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2004
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47090
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием / Д.В. Павленко, Б.А. Грязнов, В.К. Яценко, В.Н. Ежов, М.Р. Орлов // Проблемы прочности. — 2004. — № 3. — С. 143-150. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-47090
record_format dspace
spelling Павленко, Д.В.
Грязнов, Б.А.
Яценко, В.К.
Ежов, В.Н.
Орлов, М.Р.
2013-07-09T17:35:46Z
2013-07-09T17:35:46Z
2004
Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием / Д.В. Павленко, Б.А. Грязнов, В.К. Яценко, В.Н. Ежов, М.Р. Орлов // Проблемы прочности. — 2004. — № 3. — С. 143-150. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
0556-171X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47090
539.433.2:620.178.38
Рассматривается влияние пластического деформирования поверхностного слоя образцов из сплава ЭК79-ИД на характеристики циклической трещиностойкости в диапазоне рабочих температур. Установлено, что пластическое упрочнение поверхностного слоя приводит к повышению порогового коэффициента интенсивности напряжений при комнатной и повышенной температурах.
Розглядається вплив пластичної деформації поверхневого шару зразків зі сплаву ЕК79-ІД на характеристики циклічної тріщиностійкості в діапазоні робочих температур. Установлено, що пластичне зміцнення поверхневого шару зразків призводить до підвищення граничного коефіцієнта інтенсивності напружень за кімнатної та підвищеної температур.
We have studied the effect of surface layer plastic deformation of EK79-ID alloy specimen on their cyclic crack resistance characteristics in the operating temperature range. This effect is found to increase the threshold value of stress intensity factor at room and elevated temperatures.
ru
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
Проблемы прочности
Производственный раздел
Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием
Cyclic Crack Resistance of EK79-ID Alloy Specimens Strengthened by Surface Plastic Deformation
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием
spellingShingle Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием
Павленко, Д.В.
Грязнов, Б.А.
Яценко, В.К.
Ежов, В.Н.
Орлов, М.Р.
Производственный раздел
title_short Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием
title_full Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием
title_fullStr Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием
title_full_unstemmed Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием
title_sort циклическая трещиностойкость образцов из сплава эк79-ид, упрочненных поверхностным пластическим деформированием
author Павленко, Д.В.
Грязнов, Б.А.
Яценко, В.К.
Ежов, В.Н.
Орлов, М.Р.
author_facet Павленко, Д.В.
Грязнов, Б.А.
Яценко, В.К.
Ежов, В.Н.
Орлов, М.Р.
topic Производственный раздел
topic_facet Производственный раздел
publishDate 2004
language Russian
container_title Проблемы прочности
publisher Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
format Article
title_alt Cyclic Crack Resistance of EK79-ID Alloy Specimens Strengthened by Surface Plastic Deformation
description Рассматривается влияние пластического деформирования поверхностного слоя образцов из сплава ЭК79-ИД на характеристики циклической трещиностойкости в диапазоне рабочих температур. Установлено, что пластическое упрочнение поверхностного слоя приводит к повышению порогового коэффициента интенсивности напряжений при комнатной и повышенной температурах. Розглядається вплив пластичної деформації поверхневого шару зразків зі сплаву ЕК79-ІД на характеристики циклічної тріщиностійкості в діапазоні робочих температур. Установлено, що пластичне зміцнення поверхневого шару зразків призводить до підвищення граничного коефіцієнта інтенсивності напружень за кімнатної та підвищеної температур. We have studied the effect of surface layer plastic deformation of EK79-ID alloy specimen on their cyclic crack resistance characteristics in the operating temperature range. This effect is found to increase the threshold value of stress intensity factor at room and elevated temperatures.
issn 0556-171X
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47090
citation_txt Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием / Д.В. Павленко, Б.А. Грязнов, В.К. Яценко, В.Н. Ежов, М.Р. Орлов // Проблемы прочности. — 2004. — № 3. — С. 143-150. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT pavlenkodv cikličeskaâtreŝinostoikostʹobrazcovizsplavaék79idupročnennyhpoverhnostnymplastičeskimdeformirovaniem
AT grâznovba cikličeskaâtreŝinostoikostʹobrazcovizsplavaék79idupročnennyhpoverhnostnymplastičeskimdeformirovaniem
AT âcenkovk cikličeskaâtreŝinostoikostʹobrazcovizsplavaék79idupročnennyhpoverhnostnymplastičeskimdeformirovaniem
AT ežovvn cikličeskaâtreŝinostoikostʹobrazcovizsplavaék79idupročnennyhpoverhnostnymplastičeskimdeformirovaniem
AT orlovmr cikličeskaâtreŝinostoikostʹobrazcovizsplavaék79idupročnennyhpoverhnostnymplastičeskimdeformirovaniem
AT pavlenkodv cycliccrackresistanceofek79idalloyspecimensstrengthenedbysurfaceplasticdeformation
AT grâznovba cycliccrackresistanceofek79idalloyspecimensstrengthenedbysurfaceplasticdeformation
AT âcenkovk cycliccrackresistanceofek79idalloyspecimensstrengthenedbysurfaceplasticdeformation
AT ežovvn cycliccrackresistanceofek79idalloyspecimensstrengthenedbysurfaceplasticdeformation
AT orlovmr cycliccrackresistanceofek79idalloyspecimensstrengthenedbysurfaceplasticdeformation
first_indexed 2025-11-25T21:33:24Z
last_indexed 2025-11-25T21:33:24Z
_version_ 1850559109971050496
fulltext УДК 539.433.2:620.178.38 Циклическая трещиностойкость образцов из сплава ЭК79-ИД, упрочненных поверхностным пластическим деформированием Д. В. Павленкоа, Б. А. Грязнов6, В. К. Яценкоа, В. Н. Ежов6, М. Р. Орловв а Запорожский национальный технический университет, Запорожье, Украина 6 Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина в ОАО “Мотор Сич”, Запорожье, Украина Рассматривается влияние пластического деформирования поверхностного слоя образцов из сплава ЭК79-ИД на характеристики циклической трещиностойкости в диапазоне рабочих температур. Установлено, что пластическое упрочнение поверхностного слоя приводит к повышению порогового коэффициента интенсивности напряжений при комнатной и повы­ шенной температурах. Ключевые слова: циклическая трещиностойкость, пластическое упрочнение поверхностного слоя, пороговый коэффициент интенсивности напряжений. Деформационное упрочнение поверхностного слоя широко применя­ ется с целью повышения несущей способности деталей, работающих при знакопеременном нагружении и в условиях умеренно повышенных темпе­ ратур [1-3]. Предел выносливости при этом увеличивается за счет измене­ ния физико-механических характеристик материала поверхностного слоя (формирование в нем благоприятных сжимающих остаточных напряжений, повышение твердости, предела текучести, дробление блоков кристалличес­ кой мозаики и формирование ячеистой дислокационной структуры) [4]. Наряду с пределом выносливости важной характеристикой несущей способ­ ности ответственных деталей авиационных двигателей является их живу­ честь, т.е. способность сопротивляться развитию трещин. Повышение живу­ чести таких деталей двигателя, как рабочие лопатки компрессора, венти­ лятора, турбины, дисков, валов и т.д., способствует росту надежности и безопасности эксплуатации двигателя в целом. Результаты исследований влияния поверхностного пластически дефор­ мированного слоя, имеющего по сравнению с сердцевиной образца пони­ женный запас пластичности, на характеристики циклической трещиностой- кости практически отсутствуют. Цель настоящей работы заключалась в исследовании влияния поверх­ ностного наклепа на характеристики циклической трещиностойкости дефор­ мируемого жаропрочного сплава на никелевой основе ЭК79-ИД при комнат­ ной и повышенной температурах. Испытания образцов и обработку полу­ ченных экспериментальных данных проводили по рекомендации работы [5] и в соответствии с методическими указаниями [6]. Для гармонического нагружения образцов использовали электродинамический вибростенд ВЭДС-400М. Испытания осуществляли при температурах 20 и 500оС, что соответствует диапазону изменения рабочих температур лопаток центро­ бежного колеса компрессора высокого давления двигателя Д-27 на взлетном режиме. © Д. В. ПАВЛЕНКО, Б. А. ГРЯЗНОВ, В. К. ЯЦЕНКО, В. Н. ЕЖОВ, М. Р. ОРЛОВ, 2004 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 143 Образцы толщиной рабочей части 2 мм, что соответствует толщине натурной лопатки центробежного колеса компрессора (рис. 1), вырезали из ступичной части натурного центробежного колеса компрессора высокого давления. Для устранения дефектного слоя после механической обработки их подвергали шлифованию и высокотемпературному вакуумному отжигу. Д. В. Павленко, Б. А. Грязное, В. К. Яценко и др. Рис. 1. Образец для испытаний на циклическую трещиностойкость. Испытания образцов проводили в исходном состоянии и после деформа­ ционного упрочнения боковых поверхностей металлическими шариками диаметром 1,6 мм на ультразвуковой установке. Для построения диаграммы роста усталостных трещин испытывали 5-7 образцов при одинаковых усло­ виях. Степень наклепа поверхностного слоя определяли по изменению микро­ твердости поверхности образцов до и после упрочнения на приборе ПМТ-3, оснащенном приставкой для автоматического вдавливания индентора. Для исследованных образцов величина поверхностного наклепа Б = 30%, а его глубина, определенная на косом шлифе, составляла 25...30 мкм. Величину и характер распределения в поверхностном слое остаточных напряжений первого рода определяли методом послойного удаления тонких слоев металла электрополированием на приборе ПИОН-2. Эпюра остаточ­ ных напряжений в поверхностном слое образцов после ультразвукового упрочнения имела характерный для дробеударного упрочнения подслойный максимум. При этом величина сжимающих остаточных напряжений состав­ ляла — 180...— 200 МПа, максимальное значение напряжений в подслое мате­ риала достигало —500...— 520 МПа на глубине 50 мкм от поверхности. Общая глубина залегания остаточных напряжений составляла 250...270 мкм. Нагружение образцов осуществляли симметричным изгибом относи­ тельно оси максимальной жесткости. Частота нагружения при первой изгиб- ной форме колебаний изменялась в диапазоне 570...440 Гц по мере роста трещины. Образцы нагревали в печи сопротивления (рис. 2). Температуру в зоне распространения трещины измеряли хромель-алюмелевой термопарой, подключенной к потенциометру КСП-4. Начальную трещину длиной 0,8-1,2 мм выращивали из острого концен­ тратора глубиной 1 мм и радиусом у вершины 0,2 мм при амплитуде напряжений 280 МПа, что на 5...10% превышало предел выносливости призматических образцов из исследуемого сплава при комнатной темпе­ ратуре. Для измерений размаха колебаний консольного торца образца и размера трещины использовали бинокулярные микроскопы МБС-9 с ценой деления 0,014 мм. Один микроскоп располагали перед печью напротив окна 144 1ББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 Циклическая трещиностойкостъ образцов 7 (рис. 2), другой - сбоку печи напротив трещины 8. Для наблюдения за ростом трещины во время испытаний использовали лампу стробоскопи­ ческого прибора, помещенную в один из окуляров микроскопа. Скорость роста трещины й/\йЫ определяли путем деления приращения трещины Д/ на число циклов ДЫ, за которое произошло приращение. Рис. 2. Схема печи для нагрева образцов при испытании на трещиностойкость [6 ]: 1 - образец; 2 - удлинитель; 3 - захват; 4 - печь сопротивления; 5 - фарфоровые стержни; 6 - нагревательные спирали; 7 - окно из кварцевого стекла; 8 - усталостная трещина; 9 - хромель-алюмелевая термопара. Размах коэффициента интенсивности напряжений Д К 1 вычисляли по известной методике для чистого изгиба образца с боковой трещиной мето­ дом податливости [6, 7]: АК т — о Л 1 ,9 9 -2 ,471 | ) + 12,97(-Л - 2 3 ,1 7 ^ + (МПа л/м), (1) 4 где о - амплитуда напряжений на поверхности образца без трещины, МПа; / - длина трещины, м; Ь - высота образца, м. На каждом образце путем варьирования амплитуды колебаний свобод­ ного конца реализовали 7-12 различных значений Д К : , для каждого из которых фиксировали скорость роста трещины. Экспериментальные данные, представленные в двойных логарифмических координатах М/МЫ — ДК обрабатывали на ЭВМ с использованием стандартных статистических мето­ дов. Линейный участок диаграммы роста усталостных трещин описывали с помощью уравнения Париса М/ п — = А( Д К 1) (м/ц иклХ (2) где А и п - эмпирические коэффициенты; Д К : - размах коэффициента интенсивности напряжений, МПал/м 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, N 3 145 Д. В. Павленко, Б. А. Грязное, В. К. Яценко и др. Результаты испытаний на трещиностойкость образцов в исходном и упрочненном состоянии представлены в табл. 1 и на рис. 3. Деформация поверхностного слоя приводит к росту порогового коэффициента интен­ сивности напряжений А К Л как при комнатной, так и при повышенной температуре. Причем с повышением температуры испытаний величина ЛК^ для исходных и упрочненных образцов уменьшается. Скорость роста трещи­ ны зависит от температуры испытаний и состояния поверхностного слоя образцов. Если повышение температуры приводит к ее увеличению, то пластическое деформирование поверхностного слоя - к снижению (рис. 3). Причиной увеличения порогового коэффициента интенсивности напря­ жений и снижения скорости роста трещины в образцах, поверхностный слой которых подвергали деформационному упрочнению, вероятно, являлись сжи­ мающие остаточные напряжения, которые приводили к торможению разви­ тия фронта трещины на поверхности образца. Т а б л и ц а 1 Характеристики циклической трещиностойкости испытанных образцов г, °С Состояние поверхностного слоя & к й , МПал/м А п ° 0 ,2 , МПа МПа 2 0 Исходное 10,55 5,93-10“ 2 3 12,34 950 1380 После упрочнения (5 = 30%) 13,00 4,86-10“ 2 0 8,97 — — 500 Исходное 7,43 7,08-10“ 16 6,81 805 1260 После упрочнения (5 = 30%) 9,55 4 ,60-10“ 18 8,18 — — Й , М— , Л— с№/ 'цикл ііН ’цикл Рис. 3. Диаграммы роста усталостных трещин в исходных (а) и упрочненных (б) образцах при температуре 20 ( • ) и 500°С (О). 146 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 Циклическая трещиностойкостъ образцов Фрактограммы изломов образцов, полученных на растровом электрон­ ном микроскопе 1БМ Т300 при ускоряющем напряжении 20...30 кВ вторич­ ных электронов, показаны на рис. 4. Фрактографический анализ изломов позволил установить следующие особенности развития усталостных трещин в образцах, разрушенных при г = 20 и 500°С. В образцах, испытанных при комнатной температуре, наи­ более четко проявляется кристаллографическая ориентация поверхностей разрушения, о чем свидетельствует выраженная кристаллографическая огран­ ка (рис. 4,а). б Рис. 4. Фрактограммы изломов образцов (А ^г = 22...24 МПал/м): а - г = 20° С; б - г = 500°С. (Направление движения трещины справа - налево.) Известно, что для никеля и его сплавов, имеющих ГЦК-решетку, систе­ мой наиболее легкого скольжения в диапазоне температур 20...400°С явля­ ется система {111}<011> [8]. Высокая локальность деформации при разви­ тии усталостной трещины предопределяла малую шероховатость образую­ щихся в процессе разрушения поверхностей излома, которые ориентиро­ ваны по кристаллографическим плоскостям {111}. В процессе движения фронта трещины происходило ее ветвление в пределах одного зерна, связан­ ное с отклонением кристаллографической плоскости относительно направ­ ления действия максимальных напряжений сдвига и огибанием крупных карбидов. Из рис. 4,а видно, что в одном зерне направление движения усталостной трещины изменилось на 90°, что вызвано неоднородностью упругопластического состояния металла в зоне локальной пластической ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 147 Д. В. Павленко, Б. А. Грязное, В. К. Яценко и др. деформации, которая обусловлена высокой анизотропией упругих характе­ ристик и высокоугловой разориентировкой смежных зерен. Поверхности излома образцов, испытанных при температуре 5000С (рис. 4,б), имеют бульшую шероховатость. В изломах наблюдается одно­ направленность движения фронта трещины, нет четко выраженной крис­ таллографической ориентации поверхностей разрушения, что определяется активизацией процесса поперечного скольжения дислокаций, их размножени­ ем и образованием неподвижной ячеистой дислокационной структуры, огра­ ничивающей скольжение в системе {111}<011>. Учитывая, что разрушение зерен сплава при температуре 200С происходило только в системе наиболее легкого скольжения, в отдельных зернах направление движения трещины изменялось за счет участия в процессе разрушения смежных кристалло­ графических плоскостей {111}. Общая длина линии фронта трещины может значительно превышать поперечный размер образца. В процессе испытаний образец до полного разрушения не доводили, что позволило при последующем его доломе изучить форму фронта остано­ вившейся трещины. Образование отдельных “языков” свидетельствует о дискретном характере развития фронта трещины (рис. 5). Фронт трещины - волнистый, на поверхности излома наблюдается в виде “языков”, направ­ ление которых совпадает с направлением движения трещины. Наиболее характерно выражены “языки” в изломах образцов, испытанных при темпе­ ратуре 5000С, что указывает на более вязкий характер усталостного разру­ шения. С понижением температуры до 200С линия фронта трещины стано­ вится более ломаной. Рис. 5. Форма фронта остановившейся трещины. (Направление движения трещины справа - налево.) В табл. 2 приведены значения механических характеристик и порого­ вого коэффициента интенсивности напряжений для жаропрочных сплавов на никелевой основе, применяемых в авиадвигателестроении [7]. Сравнение экспериментально полученных значений ЛК^ для сплава ЭК79-ИД с аналогичными данными для других сплавов показало, что наря­ ду с максимальной прочностью исследуемый сплав обладает максимальной величиной порогового коэффициента интенсивности напряжений во всем диапазоне рабочих температур. Пластически деформированный и охруп- ченный в результате ультразвукового упрочнения металлическими шари- 148 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 Циклическая трещиностойкостъ образцов Т а б л и ц а 2 Значения механических характеристик и размаха порогового коэффициента интенсивности напряжений для поликристаллических никелевых сплавов при различной температуре [7] С п л а в г, оС а в, М П а а 0 2 , М П а Д К Й , М П а л / м Ж С 6 К П 2 0 1 3 2 5 8 2 5 5 ,4 4 8 0 0 1 0 2 5 7 7 5 5 ,3 5 1 0 0 0 4 8 0 2 7 5 3 , 1 7 Ж С 6 У 2 0 1 0 2 5 1 0 7 0 8 ,7 1 6 0 0 — 8 3 0 7 , 2 7 8 0 0 - 4 5 0 6 ,4 7 Э И 4 3 7 Б 2 0 1 1 8 0 7 3 0 9 ,0 8 7 0 0 1 0 7 0 6 9 0 6 ,4 7 ками поверхностный слой не приводит к снижению способности мате­ риала сопротивляться развитию усталостных трещин. При исследованных толщине образцов, характеристиках упрочненного слоя и температурах на­ блюдается повышение значения порогового коэффициента интенсивности напряжений на 20...25% по сравнению с образцами без упрочнения. Резюме Розглядається вплив пластичної деформації поверхневого шару зразків зі сплаву ЕК79-ІД на характеристики циклічної тріщиностійкості в діапазоні робочих температур. Установлено, що пластичне зміцнення поверхневого шару зразків призводить до підвищення граничного коефіцієнта інтенсив­ ності напружень за кімнатної та підвищеної температур. 1. Брондз Л. Д. Технология и обеспечение ресурса самолетов. - М.: Машиностроение, 1986. - 184 с. 2. Рыковский Б. П., Смирнов В. А., Щетинин Г. М. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом. - М.: Машиностроение, 1985. - 152 с. 3. Богуслаев В. А., Яценко В. К., Павленко Д. В. и др. Модель выносли­ вости лопаток центробежного колеса компрессора // Технологические системы. - 2002. - № 5. - С. 52 - 56. 4. Сулима А. М., Шулов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. - М.: Машиностроение, 1988. - 240 с. 5. Прокопенко А. В., Ежов В. Н. Методика испытаний на трещиностой- кость при вибрационном нагружении и высокой температуре // Пробл. прочности. - 1983. - № 3. - С. 27 - 31. 6. Методы механических испытаний металлов. Определение характерис­ тик трещиностойкости при механическом нагружении. Методические указания. - М., 1993. - 53 с. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 149 Д. В. Павленко, Б. А. Грязное, В. К. Яценко и др. 7. Трощенко В. Т. Исследование пороговых коэффициентов интенсивнос­ ти напряжений материалов при циклическом нагружении. Сообщ. 1. Методики и результаты исследований // Пробл. прочности. - 1998. - № 4. - С. 5 - 15. 8. Шалин В. Е , Светлов И. Л., Коганов Е. Б. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. - М.: Машиностроение, 1997. - 336 с. Поступила 22. 04. 2003 150 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3