МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Корчук Олена Юріївна

УДК 620.179.1 (043.3)

вплив кристалографічної орієнтації кристалітів

сплаву ад-1 на процеси руйнування

при втомному навантаженні

Спеціальність 05.02.09 – динаміка та міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі конструкції літальних апаратів Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Радченко Олександр Іванович,

Національний авіаційний університет

Міністерства освіти і науки України, м. Київ,

професор кафедри конструкції літальних апаратів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Грабар Іван Григорович,

Житомирський державний технологічний університет

Міністерства освіти і науки України, м. Житомир,

перший проректор, проректор з наукової роботи

кандидат технічних наук, доцент

Жданович Михайло Павлович,

Національний авіаційний університет

Міністерства освіти і науки України, м. Київ,

доцент кафедри механіки

Провідна установа: Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренка НАН України, м. Київ

Захист відбудеться 27 березня 2007 р. о 15 годині на засіданні спеціалі-зованої вченої ради
Д 26.002.01 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, корпус № 1, ауд. .

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 21 лютого 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор О.О.Боронко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. При створенні і експлуатації пасажирського повітряного судна необхідно знайти оптимальне рішення двох задач: забезпечення заданого рівня безпеки і високої економічної ефективності. Вирішення цих проблем можливо тільки за умови надійної оцінки фактичного технічного стану конструкцій. Не дивлячись на великі успіхи у вивченні закономірностей втоми металів і розвиток технологічних прийомів підвищення витривалості матеріалів і конструкцій, кількість руйнувань внаслідок втоми значна. Це пояснюється ускладненням умов експлуатації, зменшенням запасів міцності, підвищенням рівнів циклічних навантажень, діючих на конструкцію в нормальних умовах експлуатації, впливом агресивного навколишнього середовища та інш.

Багаторічний досвід дослідження процесу накопичення втомного пошкодження показав, що спроби прогнозування втомної довговічності матеріалів і конструкцій за допомогою спрощених залежностей приречені на невдачу. Це особливо чітко виявляється при дослідженні втоми в умовах дії нерегулярних і випадкових навантажень.

Тому актуальним є удосконалення інструментальних і аналітичних методів визначення залишкового ресурсу авіаційних конструкцій на ґрунті сучасних уявлень про природу втоми металів.

Одним з ефективних методів інструментального визначення залишкового ресурсу елементів авіаційних конструкцій є застосування монокристалічних сенсорів. В зв’язку з дією на конструкцію літака навантажень, що суттєво відрізняються за амплітудою, повторюваністю та іншими параметрами, доцільним є визначення шляхів керування чутливістю сенсорів. Визначення впливу кристалографічної орієнтації на процес втоми забезпечує можливість керування чутливістю монокристалічних сенсорів.

Однією з особливостей процесу втоми є його дискретність. Обґрунтування дискретних явищ, методика прогнозування сплесків фізико-механічних властивостей металів при втомі представлені в дискретно-імовірнісній моделі О.І.Радченка. При цьому, ключовим положенням моделі є вплив кристалографічної орієнтації зерен полікристалів і монокристалів на процес втоми. Отже, дослідження впливу кристалографічної орієнтації на процес накопичення пошкодження є актуальним і в зв’язку з необхідністю удосконалення аналітичного підходу до вирішення проблеми прогнозування стану металу при його циклічному навантажуванні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в межах держбюджетної науково-дослідної роботи № 070-ДБ02 “Дослідження орієнтаційної залежності кінетики руйнування” (№ держреєстрації 0102U000381, 2002 – 2003 рр.) згідно тематичних планів НДР Міністерства освіти і науки України, і в межах держбюджетної кафедральної науково-дослідної роботи № 4-ф1/к15 “Дослідження процесів втоми металів та їх сполук методом заміру мікротвердості”, 2002 – 2005 рр.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є наукове обґрунтування способу оптимізації чутливості монокристалічних сенсорів вичерпання ресурсу елементів авіаційних конструкцій, який базується на визначенні впливу кристалографічної орієнтації на процеси руйнування монокристалів алюмінію при втомі.

Для досягнення вказаної мети в дисертації сформульовані і вирішені наступні задачі:

1. Дослідити закономірності процесів втоми в монокристалічних сенсорах вичерпання ресурсу елементів авіаційних конструкцій різної орієнтації з використанням методу мікротвердості.

2. Визначити параметри кристалографічної орієнтації, які впливають на процес втоми.

3. Отримати кількісні залежності показників стадійності процесу втоми від кристалографічної орієнтації.

4. Розробити рекомендації по керуванню чутливістю монокристалічних фольгових сенсорів вичерпання ресурсу на базі отриманих експериментальних даних щодо впливу кристалографічної орієнтації на процес накопичення втомного пошкодження в кристалітах з гранецентрованими кубічними кристалічними ґратами.

Об’єкт дослідження – процес втоми монокристалічних сенсорів вичерпання ресурсу елементів авіаційних конструкцій.

Предмет дослідження – вплив кристалографічної орієнтації на зміну мікротвердості і руйнування сенсорів вичерпання ресурсу елементів авіаційних конструкцій різної орієнтації.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використовувалися методи: механічних випробувань (втомне та статичне навантажування), металографічних досліджень, вимірювання мікротвердості металів, рентгенографічний метод визначення орієнтації кристалів, математичний апарат статистики.

Обґрунтованість та достовірність одержаних результатів. Теоретичні розрахунки проводились з використанням стандартних методик, підходів і концепцій. Експериментальні дослідження проводили на обладнанні, яке пройшло метрологічну повірку, в статистичному аспекті, що дало змогу отримати достатню точність і достовірність результатів експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- Показано, що кристалографічна орієнтація монокристалічних сенсорів вичерпання ресурсу є фактором, який суттєво впливає на їх чутливість. Кількісні залежності мікротвердості, циклічної довговічності і швидкості розповсюдження тріщини від кристалографічної орієнтації дозволяють оптимізувати чутливість монокристалічних сенсорів.

- Показано, що процеси зміцнення і знеміцнювання є локалізованими в межах окремих кристалітів і протікають несинхронно.

- Доведено, що каскад серій точок біфуркації, який виникає при циклічному навантажуванні, відповідає ряду, визначеному структурно-енергетичною теорією втоми.

- Встановлено, що кристалографічна орієнтація є фактором, який визначає динаміку осциляцій мікротвердості, тривалість інкубаційної стадії руйнування від втоми і кінетику розвитку тріщин в кристалітах сплаву АД-1.

- Отримано регресійні моделі, які дозволяють оцінити кількість циклів навантажування до формування тріщини і швидкість її розповсюдження з урахуванням впливу кристалографічної орієнтації.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи можуть бути використані при проведенні досліджень навантажуваності і пошкоджуваності авіаційних конструкцій за допомогою монокристалічних фольгових сенсорів вичерпання ресурсу. Чутливість сенсорів може бути оптимізована шляхом застосування для їх виготовлення монокристалів алюмінію визначеної кристалографічної орієнтації, вплив якої на процес накопичення втомного пошкодження і руйнування досліджено в дисертації. Отримано кількісні залежності, що можуть бути використані як при виготовлені сенсорів, діагностичним параметром яких є щільність смуг ковзання, так і тих, що руйнуються в процесі моніторингу втомного пошкодження. Отримані дані можуть бути також застосовані для корекції існуючих розрахункових методів оцінки накопиченого деформаційного пошкодження при нерегулярному циклічному навантажуванні. Результати досліджень у вигляді рекомендацій і методик впроваджені при виконанні міжнародного проекту INTAS-Airbus “Surface relief fatigue indicators”, в учбовий процес Національного авіаційного університету, а також використовуються відділом ресурсів авіаційної техніки департаменту льотної придатності державній служби України з нагляду за забезпеченням безпеки польотів (Державіаслужби).

Особистий внесок здобувача. Теоретичну базу при виконанні даної дисертаційної роботи становила дискретно-імовірнісна модель втоми, запропонована науковим керівником к.т.н., проф. О.І.Радченком, і основні положення структурно-енергетичної теорії втоми В.С.Іванової. Здобувачем розроблені рекомендації по керуванню чутливістю монокристалічних сенсорів вичерпання ресурсу, які створені в Національному авіаційному університеті. Особисто автором розроблена і застосована методика виявлення закономірностей формування осциляцій мікротвердості різно-орієнтованих кристалітів сплаву АД-1 при втомі; доведено існування каскадів серій точок біфуркації мікротвердості в локальних об’ємах металу; отримано регресійні моделі, які дозволяють прогнозувати тривалість стадій втоми окремих кристалітів з урахуванням їх кристалографічної орієнтації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, викладені в дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на Міжнародних конференціях: “Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций” (м. Київ, 2000 р.), “Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні” (м. Київ, 2001 р.); “АВІА -2000”, “АВІА -2001”, “АВІА -2004” (м. Київ, 2000, 2001, 2004 рр.); 10 Міжнародний конгрес двигунобудівників (п. Рибачьє, 2005 р.); “Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій” (м. Київ, 2005 р.)

У цілому робота обговорювалась на розширеному засіданні кафедри конструкції літальних апаратів Аерокосмічного інституту Національного авіаційного університету 01.06.2006р. та на засіданні кафедри динаміки і міцності машин та опору матеріалів Механіко-машинобудівного інституту Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” 13.10.2006р.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в дванадцяти статтях. З них п’ять статей в фахових наукових журналах, сім - в тезах і матеріалах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 179 сторінок, 114 сторінок основного тексту, 60 рисунків, 20 таблиць, 131 джерело, 2 додатки.

Основний зміст

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, відзначені наукова новизна і практична цінність роботи, відображені одержані результати, що виносяться на захист.

У першому розділі проведений аналітичний огляд досліджень процесу накопичення втомного пошкодження в моно- та полікристалічних матеріалах. Відзначається, що в багатьох роботах руйнування розглядається з позицій синергетики, принципи якої реалізовані і в структурно-енергетичній теорії втоми, запропонованій В.С.Івановою, в моделях, що базуються на її основі. Розглянуті результати досліджень дискретних процесів, що протікають в металах і сплавах при циклічному навантажуванні. Проаналізовано можливість застосування універсальної постійної руйнування для виявлення закономірностей накопичення пошкодження в металах і їх руйнування при втомі. Розглянуто основні механізми утворення втомних тріщин і моделі їх зародження. Відзначено перспективність застосування підходів синергетики при дослідженні стадії розвитку тріщини.

Зазначено, що вивчення фізичних основ втоми металів привело до інтенсивного дослідження монокристалів, як ідеальних кристалічних об'єктів. Проте, висновки, які могли б дозволити кількісно оцінювати вплив кристалографічної орієнтації на тривалість інкубаційного періоду втоми, на сьогодні відсутні. Відсутні експериментальні дані і аналітичні залежності, які б давали змогу кількісно оцінювати вплив кристалографічної орієнтації на кінетику втомних тріщин, недостатньо досліджено зв’язок фізико-механічних характеристик стану монокристалів, зокрема мікромеханічних, з процесом руйнування.

Проаналізовано сучасні методи прогнозування втомної довговічності при нестаціонарному навантажуванні. Відмічено, що застосування спрощених залежностей дозволяє проводити лише наближену оцінку довговічності при нерегулярному навантажуванні.

У запропонованій О.І.Радченком дискретно-імовірнісній моделі дається фізико-механічне трактування не лінійності підсумовування втомних пошкоджень при нерегулярних режимах навантажування, яке базується на синергетичних підходах до пояснення явища втоми, як дискретній зміні дисипативних структур. Дискретно - імовірнісний характер втомного руйнування дозволяє пояснити ряд особливостей поведінки металів при стаціонарних і програмних режимах навантажування.

Розглянуто методи дослідження стану циклічно деформованих металів. Зазначена доцільність застосування неруйнівних методів, що дозволяє досліджувати процес накопичення втомного пошкодження в статистичному аспекті в одному зразку.

Відзначена можливість використання для оцінки залишкового ресурсу зразків-свідків, тобто сенсорів, що закріплюються на конструкції, сприймають експлуатаційний спектр деформацій, змінюють свої властивості або руйнуються в процесі циклічного навантаження.

Виділено метод вимірювання мікротвердості, як такий, що дозволяє визначати стан поверхневих і близьких до поверхні шарів металу, тобто тих об'ємів, в яких переважно (або з випередженням) відбувається накопичення пошкоджень при втоми. Визначена стратегія застосування вказаного методу в представленому дослідженні.

У результаті проведеного аналізу сформульована мета і поставлені задачі дослідження.

У другому розділі описані застосовані в дисертаційній роботі методи і методики дослідження. В зразках алюмінієвого сплаву АД-1 за удосконаленою методикою критичної деформації і відпалювання утворювалась грубозерниста структура. Розмір зерен збільшувався з 0,01 мм до 25-30мм, що дозволило при їх дослідженні використовувати методи вивчення монокристалів, визначити їх кристалографічну орієнтацію і провести вимірювання мікротвердості в статистичному аспекті.

Експериментально визначені механічні характеристики модельного сплаву після термообробки. На базі зазначених характеристик були обрані режими втомних випробувань.

На поверхні модельних зразків були обрані кристаліти, які відповідали певним вимогам, і визначено їх кристалографічну орієнтацію рентгенографічним методом зворотної зйомки Лаує. Для цього отримано епіграми досліджуваних кристалітів, зйомка яких проводилась на рентгенівському апараті УРС - 1.0 для структурного аналізу, побудовані гномостереографічні проекції нормалей до кристалографічних площин кристалів, індицировані всі необхідні інтерференційні максимуми на епіграмах шляхом сполучення гномостереографічних проекцій кристалітів зі стандартною проекцією і визначено положення повздовжньої вісі кристалу, яка співпадає з повздовжньою віссю зразка, на стандартній стереографічній проекції. В результаті для кожного кристаліта були підраховані наступні кристалографічні параметри:

- кути між віссю кристалу і осями [100], [110],[111], що характеризують положення повздовжньої вісі кристалу відносно головних осей стандартного кристалографічного трикутника (рис.1);

- дванадцять факторів Шміда, за якими визначено максимальний фактор Шміда, що характеризує напруження в первинній системі ковзання;

- Q - фактор, який вказує на схильність кристалу до множинного чи одиничного ковзання.

Випробування на втому виконувалось на стандартній гідропульсаційній машині МУП-20 при чотирьох рівнях максимального напруження віднульового циклу: 18,0 МПа (зразок А); 14,0 МПа (зразок В); 29,0 МПа (зразки серії Т); 40,0 МПа (зразок С).

Інтервал циклічного напрацювання складав 50-200 циклів для кристалітів зразків А і В, 3 – 5 циклів в кристалітах серії Т, 1000 циклів – кристаліти зразку С.

У процесі циклічного навантажування після заданої величини попереднього напрацювання зразок демонтувався з випробувальної машини і проводилось вимірювання мікротвердості досліджуваних кристалітів. Поверхня зразків для вимірювання мікротвердості перед початком випробувань підготовлювалась як металографічний шліф.

Неруйнівний метод вимірювання мікротвердості адаптовано для вирішення поставлених задач. Заміри проводились на мікротвердомірі ПМТ-3 із алмазною пірамідкою з кутом при вершині 1360, при збільшенні х 487. Навантаження на індентор становило 20 г. Особливістю процедури дослідження мікротвердості було: виконання вимірювань в статистичному аспекті, що дозволило отримати обґрунтовані коректні результати; виконання вимірювань з шагом, що не перевищував очікувані інтервали зміни фізико-механічного стану.

На другому етапі досліджень проведено моніторинг кінетики втомних тріщин (зразки серії Т).

У кристалітах з визначеною кристалографічною орієнтацією було зроблено надріз. Випробування проводились при максимальному напруженні пульсуючого віднульового циклу 36,0 МПа з частотою 11 Гц.

Оптичний контроль наявності тріщини виконувався після циклічного напрацювання 20 тисяч циклів і далі з інтервалом 5 тисяч циклів навантажування. Використання для цього переносного оптичного мікроскопу дозволяло зафіксувати момент формування тріщини довжиною 0,05 мм. Після формування тріщини її поточна довжина визначалась з інтервалом 5 тисяч циклів на начальному етапі розповсюдження тріщини і 1-3 тисячі циклів на стадії її швидкого розповсюдження.

Реєстрація і обробка експериментальних даних здійснювалась в електронних таблицях Microsoft Excel, а також методами математичної статистики.

У третьому розділі наведено результати дослідження, які дозволили встановити характер зміни мікротвердості в кристалітах алюмінієвого сплаву АД-1 при циклічному навантажуванні, запропонована методика виявлення закономірностей формування осциляцій мікромеханічних характеристик і визначена їх обумовленість кристалографічною орієнтацією.

перед початком проведення даних досліджень було відомо, що при випробовуваннях на втому різних полікристалічних матеріалів була зафіксована поява І-сплесків залишкової довговічності та мікротвердості, положення яких відповідає рекурентному співвідношенню, запропонованому В.С. Івановою. В дискретно-імовірнісній моделі О.І.Радченка було висунуто гіпотезу, що дані сплески виникають в точках біфуркації процесу втоми різно-орієнтованих зерен, у яких швидкість перебігу процесів втоми різна. Точки біфуркації – це особливі точки, які визначають нерівноважні фазові переходи, і при досягненні яких стрибкоподібно змінюються властивості системи, що обумовлюється самоорганізацією дисипативних структур. У випадку виявлення подібних сплесків при випробовуваннях на втому монокристалів (окремих зерен) вказана гіпотеза повинна бути скорегована.

Досліджено зміни мікротвердості різно-орієнтованих кристалітів сплаву
АД-1 при різних рівнях циклічного навантажування. При кожному напрацюванні в одному кристаліті здійснювалось 10 замірів мікротвердості, що дозволило оцінити середню величину мікротвердості кожного кристаліта Нсер і розсіяння мікротвердості в окремому зерні з визначеними кристалографічними характеристиками. Розсіяння характеризує неоднорідність пластичної деформації в зерні. Як кількісний показник розсіяння використовувалось середнє квадратичне відхилення мікротвердості SH. По результатам випробувань побудовано графіки залежності Нсер = f1(N) і SH = f2(N) (рис.2). Аналіз отриманих залежностей вказує на те, що при циклічному навантажуванні кристалітів алюмінію виникають осциляції мікротвердості, які обумовлені проходженням відповідних точок біфуркації процесу втоми.

Показано, що перебіг процесів деформаційного зміцнення – знеміцнювання в досліджених кристалітах, як при = 18,0 МПа, так і при = 14,0 МПа, залежить від їх кристалографічної орієнтації. В кристалітах, схильних до множинного ковзання (Q-фактор більше 0,9), при перших циклах навантажування спостерігається збільшення мікротвердості з 194,5 МПа до 233,2 МПа – зерно А-3, з 163,8 МПа до 192,5 МПа – зерно В-1, тоді як в кристалітах, схильних до одиничного ковзання (Q- фактор менше 0,9), середня мікротвердість менше початкової на 6,2 МПа в кристаліті А-5 і на 5,0 МПа в кристаліті В-5.

Вимірювання мікротвердості проводилось з невеликим шагом, що дозволило найбільш повно виявити І-сплески і застосувати розроблену методику виявлення закономірностей формування осциляцій мікротвердості. Для цього була розроблена спеціальна обчислювальна програма, заснована на використанні смугового фільтру. Встановлено, що розташування І-сплесків (точок біфуркації, які належать до однієї серії) відповідає рекурентному співвідношенню, запропонованому В.С.Івановою:

, (1)

де - універсальна константа руйнування металу. Для алюмінію Д = 0,225; N1(i), N1(i+1) – попереднє і наступне значення числа циклів навантажування, при яких зафіксовано сплески мікротвердості.

Застосування зазначеної методики дозволило виявити періодичності в отриманих експериментальних записах зміни мікротвердості при втомі кристалітів сплаву АД-1, що проявилось у виявленні декількох R серій осциляцій (каскаду сплесків). Положення базової (першої) точки біфуркації, тобто число циклів до її появи, NBBR повністю характеризує всю серію сплесків мікротвердості. Воно є випадковою величиною, яка залежить від рівня діючих циклічних напружень і фізико-механічного стану матеріалу в зоні контролю. Положення інших точок біфуркації NBri однозначно залежить від NBBR у відповідності до рівняння (1).

У зернах зразка А було виявлено дванадцять серій сплесків мікротвердості при втомі, в кристалітах зразка В – сім. Сукупність всіх серій сплесків мікротвердості від початку циклічного навантажування до виникнення втомної тріщини утворює каскад серій сплесків мікротвердості, який повністю описує еволюцію синергетичних систем.

Досліджено вплив кристалографічної орієнтації на положення базових точок біфуркації NBBr. Побудовано графіки, які пов’язують момент виникнення базової точки біфуркації процесу втоми матеріалу зі значеннями факторів Шміда SM в можливих системах ковзання (рис.3). наявність тісної лінійної кореляційної залежності між цими параметрами дозволило припустити, що: а) виникнення сплесків в кожній серії пов'язано з послідовним ковзанням в площинах ковзання з різними значеннями фактора Шміда; б) існує залежність між NBBR і приведеним напруженням зсуву ф.

Проведено множинний кореляційний аналіз зв’язку кількості циклів навантажування до виникнення базових точок біфуркації мікротвердості NBBR з приведеними напруженнями зсуву по площині ковзання ф, а також з кутами, які утворює повздовжня вісь кристалу з головними кристалографічними напрямками [100], [110], [111] - V100, V110, V111.

Аналіз виконувався засобами програми „Statgraphics Plus”. Отримана регресійна модель, яка дозволяє прогнозувати момент утворення базових точок біфуркації мікротвердості, а, отже, і всього каскаду серій сплесків мікротвердості, на підставі діючих в кристаліті напружень і його кристалографічної орієнтації:

NBBR=1,6385 – 0,0855ф – 0,01688V100 – 0,00413V110 – 0,00604 V111.

За даною моделлю були підраховані параметри базових точок біфуркації мікротвердості кристалітів зразків А і В і проведено аналіз відповідності розрахункових даних експериментальним. В результаті отримано сімейство точок, яке характеризує зв’язок між розрахунковою та експериментальною кількістю циклів навантажування до виникнення базових точок біфуркації мікротвердості. Ця залежність апроксимується прямою лінією
у = 0,929х + 0,0361. Квадрат коефіцієнта кореляції R2 дорівнює 92,9 %, що вказує на задовільну точність розрахунків.

Таким чином, виявлене явище виникнення осциляцій мікротвердості кристалітів з гранецентрованими кубічними кристалічними ґратами при втомі потребує корекції дискретно – імовірнісної моделі втомив.

У четвертому розділі представлено результати проведеного моніторингу росту втомних тріщин в кристалітах сплаву АД-1. Отримано зв'язок:
а) тривалості інкубаційної стадії втоми і стадії розповсюдження втомної тріщини з кристалографічною орієнтацією; б) характеристик процесу руйнування зі станом поверхневого шару, а саме мікротвердістю, в зоні формування втомної тріщини; в) мікротвердості і кінетики втомних тріщин з кристалографічною орієнтацією кристалітів, в яких тріщини розповсюджувались.

У зразках серії Т досліджено зміну мікротвердості різно-орієнтованих кристалітів (див. рис.1,в) з інтервалом вимірювань, який дозволив детально прослідити процес деформаційного зміцнення в зернах сплаву АД-1 на початку циклічного напрацювання.

При першому циклі навантажування (рис.4) відбулась зміна мікротвердості в усіх кристалітах, але ці зміни мають різний характер.

У зразку Т-2 спостерігається суттєве зміцнення (ДНсер = 167,5 МПа), а в зразку Т-8 – зниження середнього значення мікротвердості порівняно з початковим (ДНсер = -12,15 МПа). Всі кристаліти випробовувались при рівних умовах і різнились тільки за кристалографічними параметрами. Тому різницю в деформаційних процесах можливо пояснити впливом на них кристалографічної орієнтації.

Після ста циклів навантажування в сімох кристалітах відбулось зміцнення в діапазоні від ДНсер = 6,56 МПа в зерні Т-10 до ДНсер = 109,2 МПа в зерні Т-2. А в кристалітах Т-7 і Т-8 спостерігається зниження мікромеханічних характеристик відповідно ДНсер = - 62,87 МПа і
ДНсер = - 21,87 МПа.

Проведено випробування даних зразків на втому. На рис. 5 показано зовнішній вигляд зразків Т-3, Т-5, Т-6 після руйнування. Спостерігались такі особливості розповсюдження втомних тріщин в кристалітах алюмінієвого сплаву АД-1: а) у всіх випадках тріщина має транскристалітний характер;
б) напрямок розповсюдження тріщини і орієнтація поверхні руйнування може змінюватися при переході тріщини через границю зерна, тобто зі зміною кристалографічної орієнтації; в) в деяких випадках напрямок розповсюдження втомної тріщини і орієнтація поверхні руйнування не змінюються при переході границь зерен, що може бути обумовлено близькою кристалографічною орієнтацією суміжних зерен.

З графіків залежностей довжини тріщини від кількості циклів навантажування (рис.6) видно, що число циклів до руйнування у різно-орієнтованих кристалітів знаходиться в інтервалі від 52 до 270 тис. циклів, тобто відрізняється в 5,2 рази. Різниця в числі циклів до появи тріщини довжиною 1,5 мм знаходиться в діапазоні від 20 до 244 тисяч циклів і відрізняється в 12,2 рази.

Для аналізу кінетики поширення тріщини застосована загальноприйнята залежність швидкості росту втомної тріщини dl/dN від інтенсивності напружень, що описується рівнянням Периса, яке пов'язує швидкість розповсюдження втомної тріщини зі зміною коефіцієнта інтенсивності у вершині тріщини поточної довжини в межах циклу
K= Кmax - Кmin,

dL/dN = C1(K)n , (2)

де Кmax і Кmin - відповідно коефіцієнти інтенсивності напружень при максимальному і мінімальному навантаженнях циклу; С1 - константа, що залежить від навантаження і частоти; n - показник, що змінюється в різноманітних металах від 2 до 10, пов'язаний, очевидно, з рівнем залишкових напружень при вершині тріщини.

У ході даних досліджень встановлено, що кожен кристаліт має своє апроксимуюче рівняння Периса. Вважаючи на те, що діапазон орієнтацій досліджених кристалітів охоплював значну частину кристалографічного трикутника (див. рис.1,в) і, враховуючи, що зовнішні умови навантаження для всіх кристалітів були рівними, саме різницю кристалографічної орієнтації слід вважати фактором, який визначив особливості залежностей
lg(dL/dN) - lg(ДK).

Виявлено зв'язок тривалості інкубаційного періоду втоми кристалітів сплаву АД-1 з максимальним фактором Шміда. Розглянуто дві групи зразків: 1- зразки, в яких максимальний фактор Шміда не перевищував 0,4; 2 - зразки, в яких фактор Шміда перевищував 0,4. Середня кількість циклів навантажування до формування тріщини відрізняється на 75 процентів. При цьому мінімальна кількість циклів навантажування до формування тріщини довжиною l = 1,5 мм для першої групи зразків дорівнює 198 тис. циклів, а для другої – 20 тис. циклів. Максимальна кількість циклів навантажування до формування тріщини довжиною l = 1,5 мм для першої групи зразків дорівнює 244 тисячі циклів, для другої – 88 тис. циклів.

Швидкість розповсюдження тріщини, як відомо, залежить від стану матеріалу, в якому вона формується і розвивається. Одним з показників стану є мікротвердість. Отримані експериментальні дані вказують на те, що зміна мікротвердості, яка є результатом деформаційного зміцнення, визначає кінетичні характеристики руйнування. В кристалітах з мікротвердістю після циклічного напрацювання N = 50 циклів, меншою 220 МПа, тривалість зростання тріщини від l = 1,5 мм до руйнування знаходиться в діапазоні від 117 до 215 тис. циклів, тоді як в кристалітах, мікротвердість яких перевищує 220 МПа – від 38 до 66 тис. циклів.

Аналіз даних про зв’язок мікротвердості з кристалографічною орієнтацію виявив особливості, які до цього часу не враховувались при встановлені орієнтаційних залежностей характеристик міцності. Встановлено, що для кристалітів, які схильні до одиничного ковзання і кристалітів, схильних до множинного ковзання, залежність мікротвердості від максимального фактору Шміда має протилежний характер.

У випадках, коли Q-фактор менше 0,9 (одиничне ковзання) збільшення приведених напружень зсуву в первинній системі призводить до підвищення мікротвердості (деформаційного зміцнення).

Якщо кристалографічна орієнтація сприяє множинному ковзанню
(Q-фактор більше 0,9), приведені напруження зсуву в первинній системі не забезпечують деформаційне зміцнення. Можна вважати, що в такому випадку не є значною роль первинної системи ковзання.

Таким чином, представлені експериментальні дані і їх аналіз дають можливість запропонувати новий метод врахування кристалографічної орієнтації монокристалів і кристалітів при прогнозуванні їх довговічності. Основою нового підходу є висновок про наявність різних механізмів впливу величини напружень зсуву в первинній системі ковзання для кристалів множинного і одиничного ковзання. Отримані залежності дозволяють кількісно оцінити вплив кристалографічної орієнтації на тривалість інкубаційного періоду втоми, зв’язати мікротвердість з кінетикою тріщини, визначити вплив кристалографічної орієнтації на процес деформаційного зміцнення (приріст мікротвердості).

Зазначені експериментальні дані можуть бути застосовані для керування чутливістю індикаторів, які використовуються для контролю накопиченого втомного пошкодження і залишкового ресурсу елементів авіаційних конструкцій. Діагностичними параметрами таких індикаторів є деформаційний рельєф поверхні або довжина втомної тріщини. Перспективним способом керування чутливістю індикаторів є використання монокристалів з різною кристалографічною орієнтацією.

У даній роботі доведена доцільність використання для оцінювання чутливості кристалу до деформації комплексу орієнтаційних параметрів:

а) кути між віссю кристалу і осями трикутника [100], [110],[111];

б) напруження зсуву в первинній системі ковзання (фактор Шміда);

в) схильність кристалу до множинного або одиничного ковзання (Q-фактор).

Отримано регресійні моделі процесу руйнування кристалітів з гранецентрованими кубічними кристалічними ґратами з урахуванням їх вихідної мікротвердості і кристалографічної орієнтації:

- тривалість інкубаційного періоду втоми

N= -768,27+14,328V100+14,165V110+6,3284V111-0,4757H0-0,161DH

R2 = 82,48%,

- тривалість періоду зростання втомної тріщини

N=2911,1-31,564V100-18,999V110-21,506V111+0,143H0-0,348DH-953,148Q

R2 = 94,86%.

- загальна кількість циклів до руйнування

N=1889,29-14,143V100+2,955V110-13,139V111-0,44H0-0,435DH-866,549Q

R2 = 85%.

Отримані характеристики можуть бути використані при виборі кристалографічної орієнтації монокристалічного зразка-свідка.

висновки

У результаті виконання дисертаційної роботи виявлено вплив кристалографічної орієнтації на процеси руйнування в кристалітах алюмінієвого сплаву АД-1 при втомному навантаженні.

У дисертації одержано такі основні наукові та практичні результати:

1. Доведено, що чутливість монокристалічних сенсорів втомного пошкодження елементів авіаційних конструкцій може бути оптимізована шляхом використання монокристалів певної орієнтації. Це дозволяє створити сімейство сенсорів для визначення залишкового ресурсу відповідальних елементів авіаційних конструкцій, які зазнають нерегулярного циклічного навантаження широкого діапазону.

2. Встановлено, що вплив кристалографічної орієнтації на втому монокристалів алюмінію, які застосовуються для виготовлення сенсорів вичерпання ресурсу елементів авіаційних конструкцій, може бути кількісно описаний тільки при урахуванні комплексного впливу максимального фактору Шміда, положення вісі монокристалу відносно основних кристалографічних напрямків і Q-фактору, який характеризує схильність кристалу до одиничного чи множинного ковзання.

3. Виявлено осциляції мікротвердості кристалітів алюмінієвого сплаву АД-1 при циклічному навантажуванні, які відповідають проходженню точок біфуркації процесу втоми.

4. Розроблена методика, застосування якої дозволило виявити закономірності зміни мікротвердості, що виражаються в утворенні каскаду серій точок біфуркації в процесі втоми. Встановлено, що координати точок біфуркації можуть бути визначені у відповідності зі структурно-енергетичною теорією втоми.

5. Встановлено зв'язок періодичності осциляцій мікротвердості з кристалографічною орієнтацією. Отримано єдину залежність кількості циклів навантажування до виникнення базової точки біфуркації від приведених дотичних напружень.

6. Визначено кількісний зв'язок стадій процесу втоми монокристалічних сенсорів з кристалографічною орієнтацією. Отримано регресійні моделі, які дозволяють оцінити кількість циклів навантажування до утворення тріщини і тривалість її розповсюдження з урахуванням впливу кристалографічної орієнтації.

7. Розроблені рекомендації по керуванню чутливістю монокристалічних сенсорів вичерпання ресурсу елементів авіаційних конструкцій на базі отриманих експериментальних даних щодо впливу кристалографічної орієнтації на процес руйнування при втомному навантажуванні в кристалітах з гранецентрованими кубічними кристалічними ґратами. Визначено монокристали яких орієнтувань доцільно використовувати при виготовленні сенсорів різної чутливості.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Радченко А.И., Корчук Е.Ю., Карускевич М.В. Исследование инкубационного периода усталости кристаллитов алюминиевого сплава АД-1 методом микротвердости // Проблемы системного подхода в экономике:Сб.научн.тр. – К.: КМУГА, 2000. - Вып. 4. – С.171-174.

Здобувачем розроблена і апробована методика дослідження мікротвердості кристалітів алюмінієвого сплаву на інкубаційному періоді втоми.

2. Карускевич М.В., Радченко А.И., Корчук О.Ю. Орієнтаційна залежність утомленості кристалітів алюмінієвого сплаву // Вісник НАУ. - 2002. - № 2 (13). - С. 146-151.

Здобувачем визначено параметри кристалографічної орієнтації, які характеризують вплив орієнтації на кінетику втомних тріщин в сплаві системи Al-Cu-Mg.

3. Радченко О.І., Корчук О.Ю. Измерение микротвердости как способ исследования дискретных процессов при усталости монокристаллов // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – Х.: ХАІ, 2002. – Вип. 34. – С. 181-185.

Здобувачем встановлено закономірності в положенні сплесків мікротвердості кристалітів. Визначена можливість їх прогнозування за допомогою співвідношень структурно-енергетичної і дискретно-імовірносної теорій втоми.

4. Карускевич М.В., Корчук О.Ю. Діагностичні параметри втоми монокристалів // Авиационно-космическая техника и технология. – Х.: ХАИ, 2005. - Вып. 10 (26). – С. 79-83.

Здобувачем визначено вплив кристалографічної орієнтації на процес зміни мікротвердості і руйнування кристалітів сплаву АД-1.

5. Корчук О.Ю. Накопичення пошкоджень і руйнування кристалітів алюмінієвого сплаву // Вісник НАУ. - 2005. - № 3. – С. 112-116.

6. Радченко О.І., Корчук О.Ю. Зміни мікротвердості різноорієнтованих монокристалів алюмінію при втомі // Матеріали ІІІ Міжнар. наук.-техн. конф. АВІА-2001 (24-26 квітня 2001 р.). – К.: НАУ, 2001. - С.03.118-03.120.

Здобувачем проведено моніторинг мікротвердості різно-орієнтованих зерен сплаву АД-1. Виявлено каскад серій точок біфуркації процесу втоми.

7. Радченко А.И., Корчук Е.Ю., Пантелеев В.М. Оценка усталостного повреждения деталей по результатам измерений на инкубационной стадии усталости // Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні: Матеріали Міжнар. наук.-техн. конф. (9-11 жовтня 2001 р.). – К.: Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренка, 2001. – С. 113-114.

Здобувачем досліджена можливість застосування неруйнівного методу мікротвердості для моніторингу стану поверхні елементів конструкцій при дії нерегулярних циклічних навантажень.

8. Корчук Е.Ю. Исследование изменения микротвердости разно-ориентированных кристаллитов алюминиевого сплава АД-1 на инкубационной стадии усталости // Наука і молодь: Матеріали наук.-техн. конф. – К.: НАУ, 2001. – С. 3.

9. Карускевич М.В., Корчук О.Ю. Вплив кристалографічної орієнтації на мікромеханічні характеристики і втомне пошкодження кристалітів алюмінієвих сплавів // АВІА-2004: Матеріали VI Міжнар. наук.-техн. конф. (26-28 квітня 2004 р.). – К.: НАУ, 2004. - С.32.17-32.20.

Здобувачем встановлено зв'язок характеристик процесу руйнування кристалітів сплаву АД-1 з мікротвердістю в зоні формування втомної тріщини.

10. Радченко А.И., Пантелеев В.М., Корчук Е.Ю., Борисов Д.И. Осцилляция физико-механических свойств металлов и сплавов при усталости // АВІА-2004: Матеріали VI Міжнар. наук.-техн. конф. (26-28 квітня 2004 р.). – К.: НАУ, 2004. - С. 32.13-32.16.

Здобувачем виявлені осциляції мікротвердості в кристалітах сплаву АД-1 на інкубаційній стадії втоми.

11. Корчук О.Ю. Вплив кристалографічної орієнтації на процес деформаційного пошкодження // Наука і молодь. – К.: НАУ, 2004. – Вип. 4. - С. 27-30.

12. Радченко А.И., Пантелеев В.М., Корчук Е.Ю., Борисов Д.И. Осцилляции свойств металлов и сплавов при усталости // Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій: Тези доп. Міжнар. наук.-техн. конф. (1-4 листопада 2005 г.). - К.: Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренка, 2005. – С. 290-291.

Здобувачем визначено, що виникнення осциляцій мікротвердості кристалітів сплаву АД-1 при різних рівнях циклічного навантажування пов’язане з сінергетичними процесами в різних кристалографічних площинах.

анотація

Корчук О.Ю. Вплив кристалографічної орієнтації кристалітів сплаву АД-1 на процеси руйнування при втомному навантаженні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.09 – Динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2006.

Дисертація присвячена обґрунтуванню способу оптимізації чутливості монокристалічних сенсорів вичерпання ресурсу на базі дослідження закономірностей процесів втоми кристалітів алюмінієвого сплаву АД-1 методом мікротвердості і виявлення впливу кристалографічної орієнтації на перебіг цих процесів.

Показано, що застосування монокристалів певної орієнтації для виготовлення фольгових сенсорів втомного пошкодження дозволяє отримати сімейство сенсорів з різною чутливістю і оптимізувати їх використання при визначенні залишкового ресурсу авіаційних конструкцій.

Визначено комплекс орієнтаційних параметрів, які необхідно використовувати при оцінюванні впливу кристалографічної орієнтації на втому кристалітів і монокристалів.

Виявлено осциляції мікротвердості при циклічному навантажуванні кристалітів алюмінієвого сплаву АД-1 і встановлено їх зв'язок з кристалографічною орієнтацією. Доведено, що координати серій точок біфуркації процесу втоми можуть бути визначені у відповідності зі структурно-енергетичною теорією втоми. Отримано регресійну модель, яка пов’язує кількість циклів навантажування до виникнення базових точок біфуркації мікротвердості з приведеними напруженнями зсуву і кристалографічною орієнтацією досліджуваних кристалітів. Отримано кількісні показники впливу кристалографічної орієнтації на тривалість стадій втоми в кристалітах з ГЦК ґратами, що дозволило розробити рекомендації по керуванню чутливістю монокристалічних сенсорів вичерпання ресурсу.

Ключові слова: залишковий ресурс, кристаліт, кристалографічна орієнтація, осциляції мікротвердості, втома, втомна тріщина, монокристалічний сенсор.

аннотация

Корчук Е.Ю. Влияние кристаллографической ориентации кристаллитов сплава АД-1 на процессы разрушения при усталостном нагружении. – Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 – Динамика и прочность машин. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2006.

В диссертационной работе научно обоснован способ оптимизации чувствительности монокристаллических фольговых сенсоров исчерпания ресурса, основанный на определении влияния кристаллографической ориентации на процессы разрушения монокристаллов алюминия при усталости.

Выявлены закономерности процесса усталости в различно ориентированных кристаллитах.

Для решения поставленных задач выполнено измерение микротвердости в кристаллитах алюминиевого сплава АД-1, размер которых составлял 25 – 30 мм, при максимальных напряжениях отнулевых циклов нагружения 14,0; 18,0; 29,0 и 40,0 МПа, с небольшим шагом циклической наработки (50 – 200 циклов). получены зависимости средней микротвердости и её среднего квадратического отклонения от величины предварительной наработки.

Установлено, что изменение микротвердости происходит по сложному закону, с явно выраженными осцилляциями, которые обнаружены в кристаллитах алюминиевого сплава впервые. По характеру они аналогичны осцилляциям остаточной долговечности, выявленным ранее при испытаниях поликристаллических алюминиевых сплавов, меди и сталей. Их возникновение связано с многократными процессами упрочнения-разупрочнения, которые протекают в различных кристаллографических плоскостях в моменты прохождения точек бифуркации процесса усталости. Точки бифуркаций образуют каскад, состоящий из нескольких серий точек бифуркаций. Положение точек бифуркации в каждой серии описывается с помощью рекуррентного соотношения, предложенного В.С. Ивановой. Совокупность всех серий всплесков микротвердости от начала циклического нагружения до образования усталостной трещины полностью описывает эволюцию сплава как синергетической системы. Наличие нескольких серий точек бифуркации процесса усталости в отдельных кристаллитах приводит к необходимости корректировки дискретно-вероятностной модели усталости, предложенной ранее А.И. Радченко.

Установлена связь осцилляций микротвердости с кристаллографической ориентацией. получено множественное корреляционное уравнение, связывающее число циклов повторной нагрузки до возникновения точек бифуркации процесса усталости с величиной касательного напряжения и кристаллографической ориентацией кристаллита.

Определен комплекс ориентационных параметров, которые необходимо учитывать при оценке влияния кристаллографической ориентации на усталость кристаллитов и монокристаллов.

Проведен мониторинг роста усталостных трещин в кристаллитах с ГЦК решеткой, получена связь продолжительности инкубационной стадии усталости и стадии распространения усталостной трещины с кристаллографической ориентацией. Предложен новый подход к учету кристаллографической ориентации монокристаллов и кристаллитов при определении их остаточного ресурса, который базируется на полученных в работе данных про наличие различных механизмов влияния величины касательного напряжения в первичной системе скольжения для кристаллитов множественного и единичного скольжения.

Получены регрессионные модели процесса усталостного разрушения кристаллитов с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой с учетом их начальной микротвердости и кристаллографических параметров.

Установлено, что коэффициенты уравнения Периса для кристаллитов с различной кристаллографической ориентацией существенно отличаются.

Результаты исследования создают базу для создания семейства монокристаллических сенсоров с различной чувствительностью, что позволит оптимизировать метод мониторинга процесса исчерпания ресурса.

Полученные закономерности позволяют также внести коррекцию в существующие расчетные методы определения накопленного усталостного повреждения при нерегулярных режимах циклического нагружения.

Ключевые слова: остаточный ресурс, кристаллит, кристаллографическая ориентация, осцилляции микротвердости, усталость, усталостная трещина, монокристаллический сенсор.

abstract

Korchuk O.Yu. Alloy’s AD-1 crystallites crystallographic orientation influence on the fracture processes under fatigue loading. –