Разрушение жаропрочного сплава ВЖ175 в условиях жесткого малоциклового нагружения

Введение

Исследование сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) проводят для конструкционных материалов, подвергающихся в процессе эксплуатации усталостному нагружению. В качестве характеристики прочности материала МЦУ востребована с различными целями – при разработке материала, квалификации серийно производимого сплава, при расчетах деталей конструкции на прочность и ресурс [1–9]. Отличительной чертой испытаний на МЦУ является то, что в процессе испытаний прикладываемые нагрузки превышают предел текучести материала, реализуется циклическое упругопластическое деформирование. Для аналитического описания такого процесса используют два параметра – напряжение и деформация (σ–ε). Один из них выбирают в качестве независимого при проведении испытаний. Независимый параметр задается и поддерживается постоянным (или изменяемым по некоторой программе), а другой изменяется в процессе испытаний сложным образом, особенно в условиях действия высокой температуры. В данной работе проведено исследование характера разрушения образцов жаропрочного никелевого сплава ВЖ175, испытанных при заданной общей деформации цикла. Рассмотрены особенности разрушения образцов в зависимости от температуры и числа циклов испытания, а также величины заданной общей деформации. Отметим, что в отечественной научно-технической литературе недостаточно публикаций по исследованию МЦУ в условиях заданной деформации [4, 10, 11].

Материалы и методы

Жаропрочный дисперсионно-твердеющий сплав ВЖ175 нового поколения на  никелевой основе предназначен для изготовления дисков турбин и других деталей ротора газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ). Сплав ВЖ175 имеет сложную систему легирования (кобальт, хром, вольфрам, молибден, алюминий, титан и др.). Он упрочняется интерметаллидными нано- и микрочастицами γ¢-фазы, а также карбидными (Nb, Тi)С и боридными фазами типа Ме₃В₂ [12–15]. Для достижения высоких механических свойств разработан многоступенчатый технологический процесс производства [16, 17]. Основные механические свойства сплава ВЖ175 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства сплава ВЖ175

Испытания на МЦУ проведены на сервогидравлической испытательной машине LFV-100 фирмы Walter+Bai в условиях постоянной общей (упругой и пластической) деформации за цикл нагружения ε_а. Управление процессом испытания и запись параметров (величина напряжений, петли гистерезиса) проведены при помощи экстензометра фирмы Epsilon с базой 12,5 мм. Испытаны гладкие цилиндрические образцы с длиной рабочей части 15 мм и Ø5 мм, частота составляла 1 Гц, цикл нагружения асимметричный (циклическое растяжение) – R_ε=0. Испытания проведены при различных значениях амплитуды заданной деформации (ε_а=0,4–0,6%), при температурах 20 и 650°С, долговечность до разрушения изменялась в интервале 10³–1,3·10⁴ циклов.

Характер малоциклового усталостного разрушения сплава ВЖ175 исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа VEGA//_SB фирмы TESCAN.

Результаты

Результаты испытаний на МЦУ представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты испытаний сплава ВЖ175 на малоцикловую усталость (МЦУ)

Все образцы в результате испытаний были разрушены путем разделения на две части, т. е. поверхность разрушения не подвергалась никакому иному воздействию кроме циклического деформирования. Последнее имеет значение в связи с тем, что стандарт по испытаниям на малоцикловую усталость ASTM E606 предусматривает несколько критериев разрушения. В частности такие, при которых разделения образца на части не происходит.

На рис. 1–3 представлены результаты изучения особенностей поверхностного рельефа, образованного в результате распространения усталостной трещины, в процессе испытаний образцов сплава ВЖ175 на МЦУ при заданной деформации.

Рисунок 1. Фрактография усталостного разрушения сплава ВЖ175 при комнатной температуре: а, е, з – амплитуда деформации 0,6%, число циклов до разрушения 2483; б–д, ж – амплитуда деформации 0,4%, число циклов до разрушения 10251

Рисунок 2. Фрактография усталостного разрушения сплава ВЖ175 при температуре 650°С и амплитуде нагружения 0,4%: а, б – число циклов до разрушения 4222; в–ж – число циклов до разрушения 13063

Рисунок 3. Фрактография усталостного разрушения сплава ВЖ175 при температуре 650°С и амплитуде нагружения 0,5%: а–г – число циклов до разрушения 1040; д–з – число циклов до разрушения 894

Обсуждение и заключения

Показано, что механизм малоциклового усталостного разрушения при температуре 20°С мало зависит от амплитуды деформации и связан с довольно грубым вязким характером разрушения, отражающим поликристаллическую структуру материала. По контуру поверхности разрушения видно, что происходит зарождение микротрещины от нескольких очагов (рис. 1, а). В зоне начального распространения усталостной трещины наблюдается развитый вязкий характер разрушения с наличием гребенчатых образований и усталостных бороздок (рис. 1, б). В зоне стабильного роста трещины отчетливо виден бороздчатый рельеф поверхности разрушения (рис. 1, в), а направление распространения усталостной трещины поперек бороздок меняется в зависимости от ориентации отдельных зерен матрицы (рис. 1, г–е). Ускоренное развитие усталостных трещин и статический долом связаны с развитым вязким характером разрушения (рис. 1, ж, з).

Испытания на усталость при температуре 650°С и амплитуде деформации ε_а=0,4% показали, что на поверхности разрушения четко наблюдается основной очаг зарождения усталостной трещины, от которого расходятся гребенчатые образования с наличием усталостных бороздок (рис. 2, а–в). При этом режиме нагружения было исследовано два образца: один образец простоял до разрушения 4222 цикла, а другой почти в три раза больше – 13063 цикла. В первом случае зарождение трещины произошло от g¢-фазы, которая располагалась на поверхности образца (рис. 2, б), а во втором – от поверхности хрупкого скола, которая возможно образовалась от разрушения карбида (рис. 2, в). Как и при комнатной температуре при этой амплитуде деформации в зоне начального развития трещины наблюдается вязкий бороздчатый рельеф с усталостными бороздками, вытянутый по направлению распространения усталостной трещины (рис. 2, г–е). Видимо, из-за частичного охрупчивания материала при этой температуре испытания вдоль усталостных бороздок наблюдается вторичное растрескивание (рис. 2, е). Ускоренное развитие усталостной трещины связано с вязким характером разрушения (рис. 2, ж), а на поверхности статического долома наблюдаются участки вязкого и квазихрупкого разрушения (рис. 2, з).

При амплитуде деформации ε_а=0,5% и температуре 650°С (долговечность до разрушения 1040 циклов) так же, как и при ε_а=0,4%, на поверхности разрушения можно отчетливо выделить зону зарождения усталостной трещины и область ее стабильного развития (рис. 3, а). Вблизи от места зарождения трещины наблюдается вязкий характер разрушения с усталостными бороздками, между которыми наблюдаются микротрещины (рис. 3, б). На стадии стабильного распространения трещины наблюдается специфическая структура в виде вытянутых пластин или плато, между которыми в ряде случаев наблюдаются трещины. Видны также скопления карбидов (рис. 3, в, г). У другого образца, который испытывался при таком же режиме – ε_а=0,5% и температуре 650°С, но простоял меньшее число циклов (долговечность до разрушения 894 цикла), зарождение и начальное распространение усталостной трещины происходило, по-видимому, от g¢-фазы. При этом поверхность разрушения на начальном участке роста трещины имеет квазихрупкий характер (рис. 3, д, е). На ускоренном участке роста трещины наблюдается в основном вязкий характер разрушения (рис. 3, ж, з).

Из представленных на рис. 1–3 данных по анализу поверхности разрушения образцов из сплава ВЖ175 можно сделать предварительный вывод о том, что при малоцикловом упругопластическом деформировании при комнатной температуре испытания наблюдается в основном вязкий характер разрушения с наличием типичного бороздчатого механизма распространения трещины, при температуре испытания 650°С – смешанный механизм разрушения: вязкий и квазихрупкий.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №13-08-12084.