Повышение усталостного ресурса титановых сплавов методом лазерного ударного упрочнения
|
ВВЕДЕНИЕ
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1. Усталостное разрушение 11
1.1.1. Различные фазы усталостной жизни 13
1.1.2. Зарождение трещины 14
1.1.3. Рост трещины 16
1.2. Методы создания остаточных напряжений 18
1.2.1. Введение в теорию остаточных напряжений 18
1.2.2. Методы создания остаточных напряжений 19
1.3. Т итановые сплавы 25
1.3.1. Применение в авиастроении 26
1.3.2. Титановый сплав ОТ4-0 29
1.4. Концентраторы напряжений 30
1.5. Современные исследования в области лазерного ударного упрочнения 32
2. ЭСКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЯ ЧАСТЬ 39
2.1. Теоретические сведения 39
2.1.1. Параметры цикла 39
2.1.2. Вероятностный характер явления усталости 41
2.2. Необходимое оборудование и образцы 46
2.2.1. Образцы 46
2.2.2. Лазерная установка 46
2.2.3. Измерение остаточных напряжений методом сверления отверстий 50
2.2.4. Усталостные испытания 54
2.3. Программа испытаний 55
2.3.1. Измерение остаточных напряжений 56
2.3.2. Лазерная обработка образцов образцов второй партии 62
2.3.3. Усталостные испытания образцов второй партии 64
2.4. Результаты испытаний 66
2.4.1. Результаты усталостных испытаний 66
2.4.2. Результаты микрофрактографии 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 83
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1. Усталостное разрушение 11
1.1.1. Различные фазы усталостной жизни 13
1.1.2. Зарождение трещины 14
1.1.3. Рост трещины 16
1.2. Методы создания остаточных напряжений 18
1.2.1. Введение в теорию остаточных напряжений 18
1.2.2. Методы создания остаточных напряжений 19
1.3. Т итановые сплавы 25
1.3.1. Применение в авиастроении 26
1.3.2. Титановый сплав ОТ4-0 29
1.4. Концентраторы напряжений 30
1.5. Современные исследования в области лазерного ударного упрочнения 32
2. ЭСКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЯ ЧАСТЬ 39
2.1. Теоретические сведения 39
2.1.1. Параметры цикла 39
2.1.2. Вероятностный характер явления усталости 41
2.2. Необходимое оборудование и образцы 46
2.2.1. Образцы 46
2.2.2. Лазерная установка 46
2.2.3. Измерение остаточных напряжений методом сверления отверстий 50
2.2.4. Усталостные испытания 54
2.3. Программа испытаний 55
2.3.1. Измерение остаточных напряжений 56
2.3.2. Лазерная обработка образцов образцов второй партии 62
2.3.3. Усталостные испытания образцов второй партии 64
2.4. Результаты испытаний 66
2.4.1. Результаты усталостных испытаний 66
2.4.2. Результаты микрофрактографии 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 83
Усталостное разрушение - это хорошо известная техническая проблема. Уже в 19-м веке было зарегистрировано несколько серьезных усталостных отказов и проведены первые лабораторные исследования. Тогда же Август Вёллер в своих работах доказал, что однократное применение нагрузки, которая в разы меньше статической прочности, не наносит ей никакого ущерба, а вот если эта нагрузка будет прилагаться к объекту многократно, то это легко может привести к разрушению. С тех пор было проведено множество испытаний, написано огромное количество работ по изучения феномена усталости, однако и по сей вопрос усталостного разрушения остается актуальным.
В истории известно множество случаев разрушения конструкций, связанных с усталостью, причем значительная их доля произошла не так давно. Вот наиболее известные:
• 1977 — обрушение пешеходного моста на станции Пушкино;
• 1988 — происшествие с Boeing 737 над Кахулуи;
• 1989 — катастрофа DC-10 в Су-Сити;
• 1992 — авиакатастрофа в Амстердаме;
• 1998 — крушение ICE у Эшеде;
• 2000 — авария на железной дороге в Хэтфилде;
• 2002 — катастрофа рейса 611 China Airlines;
• 2005 — рейс авиакомпании Chalk's Ocean Airways, потеря крыла во время полета;
• 2009 — сход с рельсов поезда в Виареджо;
• 2009 — авария на Саяно-Шушинской ГЭС;
• 2018 — авария на авиалайнере Рейс 1380 Southwest Airlines.
Все эти происшествия доказывают необходимость изучения процесса усталостного разрушения: его этапы, длительность, причины и следствия. Особенно важно изучение этой темы в сфере авиастроения, где сопротивление усталостным разрушениям играет важную роль как для конструкций, так как
разрушение влечет за собой катастрофы с серьезнейшими последствиями. По этой причине в последние годы активно разрабатываются стандарты и нормы для создания надежных летательных аппаратов, а также предотвращения их разрушения. Одними из последних были разработаны и внедрены два метода предотвращения разрушения конструкции самолета из-за усталостных трещин: безопасный ресурс (safe-life) и безопасное разрушение (fail-safe). Первый метод исходит из основного положения, что безопасность самолета определяется отсутствием усталостных трещин в конструкции в течение безопасного ресурса. Метод безопасного разрушения предполагает создание такой конструкции, которая способна выдерживать значительную нормируемую нагрузку после частичного или полного разрушения одного из ее силовых элементов. В этих методах присутствует два очень важных понятия. Безопасность разрушения - свойство конструкции, которое позволяет ей сохранять необходимую остаточную прочность в течение периода эксплуатации без ремонта после разрушения или частичного разрушения основного силового элемента.
Вторым термином является допустимость повреждения (damage tolerance) - свойство конструкции, которое позволяет ей сохранять требуемую остаточную прочность за интервал времени ее применения, в течение которого конструкция подвергается определенной степени усталостного, коррозионного, случайного повреждения или повреждения от дискретного источника [1].
С появлением новых стандартов, стали появляться и методы улучшение свойств материалов, которые позволяли бы им сопротивляться усталостному разрушению. Особе место здесь заняли методы, в основе которых лежит создание остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей. К ним относятся дробеструйная обработка, закалка ТВЧ, высокочастотная ударная обработка и др. Последнее время активно развивается такой метод поверхностного упрочнения материалов, как лазерное ударное упрочнение. Одно из главных его преимуществ - это глубина создаваемых остаточных напряжений, которая заметно больше, чем при использовании иных методов.
Однако на данный момент этот способ создания остаточных напряжений по10
большей части находится на стадии изучения, что мешает его внедрению в
производство.
Именно поэтому целями данной работы являются:
изучение феномена усталости;
изучение технологии лазерного ударного упрочнения и существующих исследований по данной тематике;
проведение экспериментов с применением лазерного ударного упрочнения с целью определения влияния лазерного наклепа на усталостную долговечность титановых сплавов;
В истории известно множество случаев разрушения конструкций, связанных с усталостью, причем значительная их доля произошла не так давно. Вот наиболее известные:
• 1977 — обрушение пешеходного моста на станции Пушкино;
• 1988 — происшествие с Boeing 737 над Кахулуи;
• 1989 — катастрофа DC-10 в Су-Сити;
• 1992 — авиакатастрофа в Амстердаме;
• 1998 — крушение ICE у Эшеде;
• 2000 — авария на железной дороге в Хэтфилде;
• 2002 — катастрофа рейса 611 China Airlines;
• 2005 — рейс авиакомпании Chalk's Ocean Airways, потеря крыла во время полета;
• 2009 — сход с рельсов поезда в Виареджо;
• 2009 — авария на Саяно-Шушинской ГЭС;
• 2018 — авария на авиалайнере Рейс 1380 Southwest Airlines.
Все эти происшествия доказывают необходимость изучения процесса усталостного разрушения: его этапы, длительность, причины и следствия. Особенно важно изучение этой темы в сфере авиастроения, где сопротивление усталостным разрушениям играет важную роль как для конструкций, так как
разрушение влечет за собой катастрофы с серьезнейшими последствиями. По этой причине в последние годы активно разрабатываются стандарты и нормы для создания надежных летательных аппаратов, а также предотвращения их разрушения. Одними из последних были разработаны и внедрены два метода предотвращения разрушения конструкции самолета из-за усталостных трещин: безопасный ресурс (safe-life) и безопасное разрушение (fail-safe). Первый метод исходит из основного положения, что безопасность самолета определяется отсутствием усталостных трещин в конструкции в течение безопасного ресурса. Метод безопасного разрушения предполагает создание такой конструкции, которая способна выдерживать значительную нормируемую нагрузку после частичного или полного разрушения одного из ее силовых элементов. В этих методах присутствует два очень важных понятия. Безопасность разрушения - свойство конструкции, которое позволяет ей сохранять необходимую остаточную прочность в течение периода эксплуатации без ремонта после разрушения или частичного разрушения основного силового элемента.
Вторым термином является допустимость повреждения (damage tolerance) - свойство конструкции, которое позволяет ей сохранять требуемую остаточную прочность за интервал времени ее применения, в течение которого конструкция подвергается определенной степени усталостного, коррозионного, случайного повреждения или повреждения от дискретного источника [1].
С появлением новых стандартов, стали появляться и методы улучшение свойств материалов, которые позволяли бы им сопротивляться усталостному разрушению. Особе место здесь заняли методы, в основе которых лежит создание остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей. К ним относятся дробеструйная обработка, закалка ТВЧ, высокочастотная ударная обработка и др. Последнее время активно развивается такой метод поверхностного упрочнения материалов, как лазерное ударное упрочнение. Одно из главных его преимуществ - это глубина создаваемых остаточных напряжений, которая заметно больше, чем при использовании иных методов.
Однако на данный момент этот способ создания остаточных напряжений по10
большей части находится на стадии изучения, что мешает его внедрению в
производство.
Именно поэтому целями данной работы являются:
изучение феномена усталости;
изучение технологии лазерного ударного упрочнения и существующих исследований по данной тематике;
проведение экспериментов с применением лазерного ударного упрочнения с целью определения влияния лазерного наклепа на усталостную долговечность титановых сплавов;
В данной работе проводилось изучение влияния лазерного ударного упрочнения на усталостную долговечность образцов, содержащих концентратор напряжений в виде открытого отверстия. Материал образцов - титановый сплав ОТ4-0. Лазерный наклеп осуществлялся с помощью импульсного Nd:YAG лазера с модулятором добротности. После обработки образцов лазером методом сверления отверстий были измерены остаточные напряжения и проведен анализ и выбор оптимальных параметров лазерного наклепа. Усталостные испытания были проведены в два этапа. Первый этап проводился с постоянным максимальным напряжением 500 Мпа и степенью асимметрии цикла 0,1 для изучения влияния ЛСП на усталостные характеристики в условиях малоцикловой усталости. Второй этап проходил с различными уровнями максимального напряжения - начиная с 375 МПа и заканчивая 80 МПа, для анализа всех этапов усталостной жизни образцов. Степень асимметрии цикла также составляла 0,1. Анализ результатов первого этапа экспериментов проводился с помощью распределения Вейбулла.
По итогу экспериментов можно сделать вывод о том, что процесс ЛСП оказывает значительное влияние на усталостную долговечность титанового сплава ОТ4-0. Заметный эффект наблюдается в явной малоцикловой зоне при 500 МПа, где улучшение долговечности составляет порядка 70 %. Схожие результаты видны в переходной зоне, где улучшение составляет примерно 74%. В зоне близкой к переходной замечается незначительное изменение в 9,3 %, подобные результаты можно объяснить большим разбросом экспериментальных данных, связанном с вероятностным характером усталости, описанном в пункте 2.1.2. Подобные значения были зафиксированы в той же области (6 тысяч циклов) с магниевым сплавом в работе [36], где улучшение составило 11,4 %.
Заметный эффект наблюдается в области многоцикловой усталости при напряжениях 150 МПа и 100 МПа. Усталостная долговечность в этой зоне
Также при анализе усталостных кривых было замечено, что результаты образцов с ЛСП имеют меньший разброс, нежели у базового материала.
Результаты микрофрактографии также подтверждают положительное влияние лазерного наклепа на усталостные характеристики. При анализе микроструктуры было выявлено, что после обработки рост усталостной трещины значительно замедлялся. Также было установлено, что после обработки область зарождения трещины смещается с поверхности на предповерхностный слой.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что ЛСП оказывает заметное влияние на долговечность титановых образцов во всех зонах усталостной кривой. В итоге анализа полученных экспериментальных данных был проведен именно качественный анализ влияния лазерного ударного упрочнения на усталостную долговечность образцов. Для количественной оценки необходимо большее количество образцов, а также статистический анализ, чтобы с необходимой точностью определить статистическую ошибку.
Что касается практического применения, то с уверенностью можно сказать, что лазерное ударное упрочнение является крайне перспективной технологией поверхностной обработки, которая может примяться в различных отраслях науки и техники. Данная работа продемонстрировала возможность применения лазерного наклепа при различных параметрах процесса. Основываясь на полученных результатах, можно предположить, что ЛСП может стать прекрасным инструментом для увеличения усталостного ресурса машин и агрегатов, детали которых изготовлены из титана или его сплавов. Отдельно стоит отметить положительное влияние лазерного наклепа во всех зонах усталостной кривой, что говорит о возможности применения данного вида обработки к совершенно разным деталям, работающим при различных режимах эксплуатации. Например, двигатели летательных аппаратов работаю в условиях малоцикловой усталости, а фюзеляжи - многоцикловой, а повысить долговечность этих, столь непохожих друг на друга деталей можно одним способом. Таким образом, за счет этой универсальности ЛСП можно сократить расходы на всевозможное оборудование для упрочнения деталей.
По итогу экспериментов можно сделать вывод о том, что процесс ЛСП оказывает значительное влияние на усталостную долговечность титанового сплава ОТ4-0. Заметный эффект наблюдается в явной малоцикловой зоне при 500 МПа, где улучшение долговечности составляет порядка 70 %. Схожие результаты видны в переходной зоне, где улучшение составляет примерно 74%. В зоне близкой к переходной замечается незначительное изменение в 9,3 %, подобные результаты можно объяснить большим разбросом экспериментальных данных, связанном с вероятностным характером усталости, описанном в пункте 2.1.2. Подобные значения были зафиксированы в той же области (6 тысяч циклов) с магниевым сплавом в работе [36], где улучшение составило 11,4 %.
Заметный эффект наблюдается в области многоцикловой усталости при напряжениях 150 МПа и 100 МПа. Усталостная долговечность в этой зоне
Также при анализе усталостных кривых было замечено, что результаты образцов с ЛСП имеют меньший разброс, нежели у базового материала.
Результаты микрофрактографии также подтверждают положительное влияние лазерного наклепа на усталостные характеристики. При анализе микроструктуры было выявлено, что после обработки рост усталостной трещины значительно замедлялся. Также было установлено, что после обработки область зарождения трещины смещается с поверхности на предповерхностный слой.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что ЛСП оказывает заметное влияние на долговечность титановых образцов во всех зонах усталостной кривой. В итоге анализа полученных экспериментальных данных был проведен именно качественный анализ влияния лазерного ударного упрочнения на усталостную долговечность образцов. Для количественной оценки необходимо большее количество образцов, а также статистический анализ, чтобы с необходимой точностью определить статистическую ошибку.
Что касается практического применения, то с уверенностью можно сказать, что лазерное ударное упрочнение является крайне перспективной технологией поверхностной обработки, которая может примяться в различных отраслях науки и техники. Данная работа продемонстрировала возможность применения лазерного наклепа при различных параметрах процесса. Основываясь на полученных результатах, можно предположить, что ЛСП может стать прекрасным инструментом для увеличения усталостного ресурса машин и агрегатов, детали которых изготовлены из титана или его сплавов. Отдельно стоит отметить положительное влияние лазерного наклепа во всех зонах усталостной кривой, что говорит о возможности применения данного вида обработки к совершенно разным деталям, работающим при различных режимах эксплуатации. Например, двигатели летательных аппаратов работаю в условиях малоцикловой усталости, а фюзеляжи - многоцикловой, а повысить долговечность этих, столь непохожих друг на друга деталей можно одним способом. Таким образом, за счет этой универсальности ЛСП можно сократить расходы на всевозможное оборудование для упрочнения деталей.