автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Сопротивление усталостному разрушению титановых сплавов при высокой температуре и в коррозионной среде

9=^8 0 6 9 ?

одесский ордена трудового красного знамени политех! шческим институт

спешшшзировлншй совет "машиноведение и детали машин"

На правах рукописи

хутыз абрек махмудович

сопротивление усталостному рлзру1ш21 пво титановых сшивов при высокой темперлтурв и в коррозионной среде

Специальность 05.02.02 - Машиноведение и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Одесса - 1992. г.

Работа выполнена на кафедре технической механики Новороссийского высшего инженерного морского училища

Научный руководитель:

доктор технических наук А.В.Прокопенко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Н.В.Олейник

кандидат технических наук,

доцент Б.Н.Лапин

Ведущее предприятие: институт проблем машиностроения

(г.Харьков)

Защита диссертации состоится "22." 1992 г.

в У часов на заседании специализированного совета K068.I9.02. Одесского Ордена Трудового Красного Знамени политехнического института по адресу: 270044, Одесса, пр. Шевченко, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ¿Л^С1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

М.С.Беляев

Актуальность. Достоинства титановых сплавов как конструкционных; материалов заключается в их высокой-удельной прочности в.широкрм интервале температур и высокой коррозионной стойкости. ""Ь свл'Й; с этим, титановые сплавы находят широкое применение для судового энергетического оборудования.

В зависимости от вида сплава вредное действие коррозионной среды и повышенной температуры по разному сказывается на характеристиках статической и усталостной прочности. Получение таких характеристик при действии эксплуатационных (температура, давление, коррозионная среда) и конструктивно-технологических (концентрация напряжений, сварка) необходимо при проектировании энергетического оборудования.

Результаты испытаний на усталость лабораторных образцов имеют относительную ценность, так как не позволяют проводить расчеты на долговечность деталей с габаритами, существенно отличающимися от размеров образцов. Установление существования связи между кривой выносливости и диаграммой усталостного разрушения позволило бы повысить информативность усталостных лабораторных испытаний, получить диаграммы усталостного разрушения по резуль-' татам большого числа уже проведенных исследований, получать диаграммы усталостного разрушения в затрудненных для контроля за трещинами условиях.

В соответствии с изложенным становится актуальным получение экспериментальных данных по влиянию повышенной температуры и коррозионной среды на прочность титановых сплавов при циклическом нагружении, определение корреляционной связи между температурой, механическими свойствами и пределом выносливости титановых сплавов, разработка метода пересчета кривой выносливости в диаграмму усталостного разрушения.

Решению задач такого плана и посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы - теоретическая разработка и экспериментальная проверка метода оценки характеристик трещиностойкости при циклическом нагружении по кривым выносливости, исследование эксплуатационных (температура, давление, присутствие коррозионной среды) и конструктивно-технологических (концентрация напряжений, сварка) факторов на характеристики сопротивления усталостному разрушению.

Научная новизна. Теоретически разработан и проверен экспе-

риментально метод пересчета кривой выносливости в диаграмму усталостного разрушения. Разработан алгоритм решения и программное обеспечение.

Выведено регрессионное уравнение между пределом выносливос ти гладкого образца при изгибе и пределом текучести и температз рой для титановых сплавов для интервала температур от 293К до 773К.

Практическая ценность. Проведен комплекс усталостных испытаний 4-х марок титановых сплавов при температурах 293...773К I воздухе, 293...373К в коррозионной среде (3% раствор & ) на гладких, надрезанных, трубчатых и. сварных образцах. Эти данные попользованы для расчетов на прочность судового энергетической оборудования.

Усовершенствованы методы испытания трубчатых элементов в состоянии поставки, позволяющие оценить их конструкционную про' ность при циклическом нагружении.

Реализована схема нагружения при резонансных изгибах, кол( баниях с максимумом напряжений в центре заглушённого с обеих сторон отрезка трубы, что устраняет влияние заглушек на процес( усталостного разрушения.

Разработан способ испытания трубок при действии коррозион: среды высоких параметров без применения автоклава.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Метод пересчета кривой выносливости в диаграмму усталостного разрушения.

2. Метод испытаний трубчатых элементов при высоком внутре] нем давлении и расчета давления в заглушённом трубчатом элемен: в зависимости от температуры нагрева и степени заполнения объе!

3. Метод испытания трубчатого элемента на усталость при р< зонансных изгибных колебаниях с максимумом напряжений в центре элемента, где наличие заглушек не влияет на результаты испытан]

4. Экспериментальные результаты по влиянию температуры иа таний, коррозионной среды, сварки, концентрации напряжений на предел выносливости титановых сплавов марок 7М, ЗВ, 17, 19, ди; раммы усталостного разрушения на воздухе и в коррозионной сред| при комнатной и повышенной температурах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывалис: - на научно-технической конференции Ленинградского кораблестроительного института (Ленинград 1971 г.);

- на научно-технической конференции Дагестанского политех-гаческого института (Махачкала, 1972 г.);

- на.научном семинаре кафедры сопротивления материалов Ленинградского политехнического института (Ленинград, 1985г.);

- на научно-технической конференции (Минск 17-18 апреля, 1990 г.);

- на симпозиуме "Механика разрушения" октябрь 1990 г. (Житомир);

- на научном семинаре факультета механизации портов ОЛНМФа (Одесса) 16 января 1991 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 7 публикациях.

Структура 11 объем работы. Диссертация состоит из введения, 1яти глав, общих выводов, списка литературы. Работа содержит 86 страниц машинописного текста, 91 рисунок, 16 таблиц, библиографический список из 85 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введешш обоснована актуальность и важность проблемы, доставляющей предмет исследования, кратко освещены содержание ;) важнейшие результаты работы.

В первой главе проанализированы современные подходы к оценке прочности материалов и конструктивных элементов при циклическом нагружешш, рассмотрены стадии зарождения и развития уста-аостных трещин, исследованные в большом числе экспериментальных работ на широком круге металлических материалов, и отмечено, 4то стадия развития трещины составляет существенную долю общей долговечности образца. Рассмотрены основные положения механики разрушения, ее применение для оценки долговечности образцов и конструктивных элементов, концепция фиктивной длины трещины на пределе выносливости, устраняющая противоречие мевду критериями прочности дая гладкого образца (предел выносливости) и эбразца с трещиной (пороговый коэффициент интенсивности напря-кений).

Проанализированы попытки связать параметры кривой выносливости и диаграммы усталостного разрушения, предпринятые ранее, и отмечены их недостатки.

Сделан краткий обзор работ по влиянию повышенной температуры, коррозионной среды, концентрации напряжений на предел выносливости, пороговый коэффициент интенсивности напряжений и ско-

рость роста трещин в титановых сплавах и других металлических материалах.

Рассмотрены основные схемы машин для испытаний на усталост! их преимущества и недостатки, применимость для испытаний в условиях агрессивной среды, при повышенной температуре, для испытаний трубчатых элементов.

На основании проведенного литературного обзора сформулированы задачи данной работы.

Во второй главе усовершенствованы методы испытаний трубчатых образцов из титановых сплавов в состоянии поставки, позволяющие оценить их конструктивную прочность при циклическом наг-ружении.

Проделаны расчеты колебаний стержня, на основании которых реализована схема нагружения, позволяющая получить максимум напряжений в центре заглушённого с обеих концов отрезка трубы. Этим устранено влияние заделки и заглушек на процесс усталостного разрушения.

Проделаны термодинамические расчеты в широком диапазоне тел пературц и давления для трех веществ: воды, азота и углекислоты.

Разработана методика испытаний на усталость при круговом изгибе, позволяющая проводить эксперименты при повышенной температуре и в присутствии коррозионной среды.

В третьей главе представлены результаты испытаний на усталость титановых сплавов при повышенных температурах и в коррозионной среде. 'Результаты усталостных испытаний представлены в табл.1, на рис.1.

Таблица I

Результаты испытаний трубчатых образцов ¡6 13 х 1,5 мм

из титанового сплава 7М при различных температурах на воздухе и в коррозионной среде

Среда Т,К ! ** ! ! №а 1 \ МПа ! <5-а { е;; (51 ¡се

293 140 122 0,87 - -

Воздух 523 125 95 0,76 0,93 0,78

633 85 48 0,56 0,61 0,38

3% А'а № 293 99,5 * 84,2 "" 0,85 - -

523 76,5* 63,5* 0,83 0,77 0,76

623 52 * 32,1" 0,62 0,52 0,38

300 /|00 50О 600 700 т(<)

Рис. I. Влияние температуры на предел выносливости сплавов

Примечания: (■*) - разрушение и напряжения - по внутренней стенке, = 0,765; (** ) - гладкие трубки; (***) - трубки с кольцевым сварным швом.

Повышение температуры до 773 К приводит к существенному сни нению пределов выносливости (от 1,4 до 6 роз) и долговечности гладких и надрезанных образцов. Наилучшие характеристики имеет сплав 19, сплав ЗВ на втором месте. Наиходшие данные получены 'для сплава 17. Сварной шов в трубках из сплава 7М снижает предел выносливости на 13...45% и долговечности в 5 раз в диапазоне 293...623 К.

Коррозионная среда несущественно снижает предел выносливости сплавов 17 и 19 в диапазоне температур 293...373 К (до 23$). У сплава ЗВ гладкие образцы нечувствительны к присутствию коррозионной среды, а надрезанные имеют в этих условиях предел выносливости вдвое ниже, чем на воздухе.

Коррозионная среда снижает пределы выносливости гладких труб и труб со сварным швом на 30...40% в диапазоне температур 293x623 К. Сплав 19 имеет наивысшие характеристики усталостной прочности при действии коррозионной среды и высокой температуры.

По полученным экспериментальным результатам и литературным данным проведен анализ корреляционных зависимостей между пределом выносливости гладких образцов при изгибе и пределами прочности, текучести и их суммой. Наилучшая корреляционная связь существует между пределом выносливости и пределом текучести при данной температуре.

Существенным фактором, влияющим на корреляционные связи меж ду пределом прочности и механическими свойствами, является температура.

Выведено регриссионное уравнение между пределом текучести и температурой для титановых сплавов, пригодное для интервала температур от комнатной до 773 К в виде

<3,„ = (0,746-Ю""3Т + 0,0393)(^12+ (311,7-0,409 Т)

для Т(К), О0.2(Ша), <о.ы(МПа) (1)

С увеличением температуры коэффициент корреляции в этой зависимости увеличивается (при Т=293; 373; 623; 773 К Г =0,877; 0,867; 0,899; 0,941), что связано с релоксацией остаточных напряжений того или иного знака, создаваемых при изготовлении об-

в при высокой температуре, и меньшим их влиянием на разброс ла выносливости.

В четвертой, главе изложен метод расчета характеристик цикли-й трещиностойкости металла по результатам испытаний на вы-вость.

На рис. 2 представлено схематическое изображение кривой вы-вости и диаграммы усталостного разрушения. В технике диаграмму усталостного разрушения часто представ-в упрощенном виде (линия 2), несколько отличном от универ-ого £ ~ образного вида (линия I). Для трех уровней пере-го напряжения (рис.2а) по кривой усталости можно определить олговечности образцов Я; 1,2,3 при разных уровнях переменно-пля-жеттоя Г:...

носливости <3-у , УЮ - геометрический фактор, А М , А к! х и пороговый размах коэффициента интенсивности напряжений,

П - эмпирические параметры уравнения Париса. По критическому коэффициенту интенсивности напряжений К ю о пределу текучести СЗаг можно определить размер трещины естабильном разрушении ¿л . Разрушение происходит от по-устойчивости при росте трещины и достижении нетто напряже-еличины предела текучести, или при хрупком доломе образца, он наступает раньше, чем пластическое общее течение. Система трех уравнений (2) решается методом итерации отно-ьно трех неизвестных А, Я и 1е (А К¿д ). В случае, если я выносливости представляет собой ломанную кривую из 2-х ков, то решаются две системы уравнений (2), каждая для о участка.

Алгоритм пересчета параметров кривой выносливости в пара-уравнения Париса представлен на рис.3. Нулевое приближе-

Рис. 2. Усталостная кривая (а) и диаграмма усталостного разрушения (б)

Рис. 3. Алгоритм расчета параметров А , 1, А.

ние для фиктивного размера трещины принималось 0,05 мм. Отнс тельная погрешность определения величины 'П. и 10 принята О,С Численное интегрирование в уравнениях (2) осуществлялось по тоду Симпсона с погрешность^ до 1%. Программа расчета по алх ритму (рис.3) реализована на языке ФОРТРАН для ПЭВМ. Проверк на адекватность между диаграммами усталостного разрушения, п ченшми по кривым выносливости и путем прямого эксперимента распространению трещины, осуществлялось путем сравнения на з чимость различия оценок дисперсий скорости роста трещины по критерию Фишера. Оценки показали адекватность результатов ра тов и экспериментов.

В пятой главе метод пересчета кривых выносливости в диа мы усталостного разрушения был реализован применительно к ис ниям цилиндрических образцов на круговой изгиб, и на основе по результатам испытаний на выносливость сплавов ЗВ, 17, 19 получены диаграммы усталостного разрушения при комнатной и в ких температурах на воздухе и в коррозионной среде.

По полученной из обработки большого числа экспериментал данных корреляционной связи между выносливостью разрушения и делом текучести было установлено, что для сплавов ЗВ, 17, 19 присущим им уровнем прочности при диаметре образца 7,5 мм ра шение происходит от потери устойчивости. Величина £ выбирал по условию достижения нетто напряжения величины предела теку

На рис.4,5 представлены результаты расчетов параметров , рамм усталостного разрушения по кривым выносливости. С повыш температуры пороговый коэффициент интенсивности напряжений с жается как на воздухе, так и в коррозионной среде, а скорост та трещины существенно увеличивается. По характеристикам тре: стойкости сплав 17 оказывается наихудшим. Сплавы 19 и ЗВ при, равноценны. Существование перелома на кривых выносливости св с наличием перелома на диаграммах усталостного разрушения (р: Т = 773К, 623К).

В целом результаты по пороговому коэффициенту интенсивн напряжений и скорости роста трещины для сплавов ЗВ, 17.и 19 j температурах в диапазоне 293...773К на воздухе и при 293К, 3' в коррозионной среде, полученные расчетным путем по предложе. в данной работе методу, по своему уровню сопоставимы с экспе; ментальными данными для титановых сплавов ВТ6, ВТ9, ВТ20, ВТ: ВТ-5 по литературным данным (рис.5, Трощенко В.Т. и др., 198;

ЛКьь (МПаИм)5

0-НА В03ДУЛ£

1втз"1 т., о-&5%ь1асг

300 400 Б00 600 700 т( к)

Рис.5. Влияние температуры, на пороговый коэффициент интенсивности напряжений (данные для сплавов ВТЗ-1, ВТ-5, ТС-5, ВТ20, ВТ6, ВТ9 - из работы В.Т.Трощенко, Л.В.Прокопенко, В.Н.Ежова, В.Н.Торгова, 1988 г.)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен критический анализ существующих методик и схем :ательных машин. Предложен усовершенствованный метод и уста-з для испытания трубчатых образцов на усталостную прочность здушной и коррозионной средах при температуре до 623°К. зланы термодинамические расчеты, для воды, воздуха и угле-эты, позволяющие создавать любые давления в трубке. Решение эренцпального уравнения колебаний механической системы опреет оптимальные рабочие режимы, позволяющие создать наиболь-перемешше составляющие напряжения в центре образца.

2. Получены усталостные характеристики для четырех марок новых сплавов различных модификаций на воздухе и в коррозион-среде при температурах до 773°К.

3. Показано влияние температуры, концентрации напряжений и юзионной среды на усталостные характеристики для указанных ibob титана. Получена корреляционная зависимость предела вы-швости от предела текучести и температуры среды.

4. По предложенной методике испытаны конструкционные эле-гы (трубки) энергетического оборудования при режимах близких <сплуатационным, получены усталостные характеристики для iHOCTirax расчетов.

5. Установлено, что между параметрами кривой выносливости лограммой усталостного разрушения (трещиностойкости) сущест-г однозначная связь.

6. Разработана и опробирована методика, позволяющая строить грамму усталостного разрушения по исходной кривой усталости.

Разработан алгоритм и программное обеспечение предложенной одики.

7. Приведен пример использования методики при испытаниях индричеоких образцов при изгибе.

8. Разработан метод оценки критического размера трещины пределу текучести, показана его реализация при построении 1граммы усталостного разрушения трех сплавов титана при тем->атурах от 293° до 773°С.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: I. Хутыз A.M., Шаманин 10.А. Корроэионно-усталостная проч-

ность титанового сплава при повышенной температуре. - Труды JI № 75, 1971.

2. Хутыз A.M. Температурная зависимость усталостной проч ности одного титанового сплава. - ВИНИТИ JS 2070 от 27.СБ.87.

3. Хутыз A.M. Коррозионно-устэлостная прочность трубок а танового сплава при повышенных температурах и давлениях воднь сред. - ВИНИТИ № 1794-85 от 13.03.85.

4. Хутыз A.M. Влияние высокой частоты циклического нвгрз ния и температуры на усталость титанового сплава. - ВИНИТИ

№ 1090-1387 от 14.02.87.

5. Хутыз A.M. Зависимость усталостной прочности сплава тана от температуры. - ВИНИТИ # 85528 от 12.12.85.

6. Хутыз A.M. О температурной-зависимости усталостной п] ности титанового сплава. - ВИНИТИ № 54828 от 16.IX-85.

7. Хутыз A.M., Прокопенко А.В., Крысий А.Г., Стеиков B.I Связь между диаграммой усталостного разрушения и кривой усталости. - Проблемы прочности, 1991, ЛПО.

Объем 1,0 уч.изд.л. Тираж 100 экз. Заказ 172 Новороссийская государственная морская академия Новороссийск, пр. Ленина, 93

Ксерокс НГМЛ. Новороссийск, пр. Ленина, 93