ОПІР ВТОМИ

Здатність чинити опір циклічним навантаженням є одним з критеріїв оцінки якості жароміцних сплавів.

Опір втоми ЖНС залежить від їх макро- і мікро- структурних особливостей. Зародження тріщин при низькотемпературної втоми відбувається за механізмом зсуву, а поширення носить транскристаллитного характер. У сплавах з равноосной макроструктурою кордону зерен грають роль бар'єрів на шляху втомної тріщини. Тому слід очікувати, що при температурі до 0,55 Т пл (Г, - температура початку плавлення сплаву) переваг монокрі- сталліческой макроструктури помітно не буде.

У табл. 5.4 наведені середні значення меж втоми монокристалів з орієнтаціями [001] і [111] зі сплавів ЖС6Ф, ЖС32, ЖС36 і ЖС40 при різних температурах випробування. Незважаючи на різний склад, монокристали всіх жароміцних сплавів про-

наружівают аномальну температурну залежність межі втоми з максимумом в температурному інтервалі 800-900 ° С. Подібну температурну залежність має межу плинності сплавів.

Таблиця 5.4

Межі втоми монокристалів з орієнтаціями [001] і [111] при різних температурах

сплав

орієнтація

форма

зразка

Межі втоми о_, (МПа) при температурах, ° С

20

900

1000

1100

ЖС6Ф

[001]

гладкий

200

340

230

-

З надрізом

80

260

180

-

до

2,5

1,31

1,28

-

[011]

гладкий

240

350

-

-

З надрізом

140

220

-

-

до

1,7

1,6

-

-

| 112]

гладкий

220

380

-

-

З надрізом

-

-

-

-

до

-

-

-

-

[Ш]

гладкий

240

410

320

-

З надрізом

120

220

180

-

до

2,0

1,86

1,78

-

ЖС32

[001]

гладкий

340

350

270

-

З надрізом

ПО

260

-

-

ЖС36

10011

до

3,1

1,35

-

-

гладкий

300

350

-

17

З надрізом

190

280

-

16

[111]

до

1,57

1,25

-

-

гладкий

360

430

-

17

ЖС40

[ООН

гладкий

320

380

160

-

З надрізом

210

280

-

-

до

1,52

1,35

-

-

Основними осередками зародження мікротріщин втоми є карбіди і мікропори. Оскільки в безуглеродістих монокристаллах зі сплавів ЖС36 і ЖС40 карбіди відсутні, то межі втоми в таких монокристалах при кімнатній температурі мають більш високі значення.

Що стосується орієнтаційної залежності меж втоми о_ ,, то для всіх досліджених сплавів вона позитивна, тобто орієнтація [111] виявляється сильнішим [001]. Як випливає з табл. 5.4, принаймні для сплаву ЖС36, монокристали обох орієнтацій мають однакові межі втоми при температурі 1100 ° С. Таким чином, анізотропія меж багатоциклової втоми вироджується при високих температурах подібно до того, як це має місце при короткочасних і тривалих статичних випробуваннях.

На відміну від полікристалів жароміцних сплавів з равноосной структурою, монокристали мають високу чутливість до концентраторів напружень. Про це свідчать результати випробувань на втому зразків з надрізом (теоретичний коефіцієнт концентрації напружень а = 2,33). Особливо високу чутливість до концентраторів напружень мають монокристали вуглецевих сплавів ЖС6Ф і ЖС32, для яких при кімнатній температурі коефіцієнт К а = о ™ / сг! ) ] Ш = 2,5 ... 3, тоді як для безуглеродістих монокристалів із сплавів ЖС36 і ЖС40 він дорівнює 1,5-1,6. Загальним для всіх сплавів є зниження чутливості до концентрації напружень при підвищених температурах. Мабуть, високу чутливість монокристалів до концентрації напружень можна пояснити відсутністю кордонів зерен, які в деякому роді є перешкодою на шляху поширення магістральної тріщини втоми. Оскільки в полікристалах орієнтація зерен довільна, то тріщина змінює свій напрямок поширення щоразу, коли вона перетинає кордони зерен. Це супроводжується збільшенням довжини траєкторії тріщини втоми. Навпаки, в монокристалах з надрізом тріщина втоми практично безперешкодно поширюється через весь зразок.

Фрактографіческіе дослідження поверхонь зламу монокристалів дозволяють виявити осередки зародження тріщин втоми, а також мікроскопічні особливості її поширення. У загальному випадку на поверхні втомного зламу можна виділити три зони, які відповідають різним стадіям поширення тріщин.

Кристалографічна зона I відповідає стадії утворення стійких смуг ковзання по площинах, уздовж яких і відбувається зростання тріщин. Некрісталлографіческая зона II відповідає стадії поширення магістральної тріщини найчастіше перпендикулярно головним нормальними напруженням. Нарешті, в зоні III відбувається одноразовий статичний долом.

Кристалографічна зона усталостного зламу має гладкий скольний вид і може займати до 80% поверхні. З підвищенням рівня напружень частка площі, займаної кристаллографической зоною, зменшується. Поширення тріщин втоми в зоні I відбувається по площинах октаедра {111} в напрямку [011], що збігається зі звичайною системою ковзання в монокристалах жароміцних сплавів. На скольних площинах октаедра утворюється характерний ру- чейковий візерунок і смуги, що збігаються з напрямком поширення тріщини [011].

Ручейковий візерунок являє собою мікродоломіт, що виникають при поширенні тріщини втоми по паралельних площинах, які лежать на різних рівнях. Смуги, що збігаються з напрямками <011>, відповідають кордонів областей поширення тріщини по непаралельність площин октаедра. У більшості випадків вогнища втомного руйнування знаходяться в певних з кристаллографической точки зору місцях залягання карбідів або мікропор на поверхні зразка або під його поверхнею. В монокристалах двох досліджених орієнтацій [001] і [111] спостерігається орієнтаційна залежність виникнення вогнищ втомного руйнування (табл. 5.5).

Таблиця 5.5

Кристалографічні елементи на поверхні втомного руйнування монокристалів сплавів ЖС32 і ЖС6 Ф

Температура випробування, ° С

аксіальна

орієнтація

зразка

Азимутна орієнтація вогнища руйнування

Спостережуване число площин в зламі

Індекси площин в зламі

20

[001]

| 010 |

2

ПІ} - {ООП

[П01

1

-

ШИ

[112]

2-3

{111}, {ООП

900

+1001]

ію]

1-2

{111}, {ООН

11111

М121

1-2

{пн

1000

[001]

001

1

(ООП

[ПІ

-

3

{ООП

При кімнатній температурі в монокристалах з орієнтацією [001] тріщина втоми поширюється в октаедричної площині, нахиленій до осі зразка. Контур зламу набуває форму еліпса, і вогнище руйнування розташований в місці перетину великої осі еліпса з бічною поверхнею зразка. При цьому може бути два випадки. Велика вісь еліпса збігається з кристаллографическим напрямком [112], яке лежить в октаедричної площині. Якщо орієнтувати вогнище руйнування щодо напрямків, що лежать в азимутальной площині зразка, то в разі поширення тріщини по одній площині {111} вогнище буде розташований в місці перетину напрямки [010] з бічною поверхнею. Таких перетинів буде чотири, що відповідає максимальному числу можливих октаедричних площин руйнування в монокристалах з орієнтацією [001].

Якщо вогнище руйнування виникає в місці виходу напрямки [010], то поширення тріщини відбувається за двома з чотирьох можливих площин октаедра {111}; якщо ж вогнище виникає в місці перетину напрямки [110] з бічною поверхнею, то тріщина поширюється по одній площині октаедра.

В монокристалах з орієнтацією [110] зародження втомних тріщин може відбуватися в двох місцях виходу напрямків [001] і руйнування відбувається за двома октаедричних площинах, так як дві інші площини октаедра паралельні осі зразка.

В монокристалах з орієнтацією [111] вогнища зародження тріщин розташовуються переважно в місцях виходу напрямків [112] на поверхню робочої частини зразка.

Втомне руйнування відбувається по 1-3 площинах октаедра, нахиленим до осі зразка. Втомного руйнування по площині октаедра (111), перпендикулярній осі зразка, не спостерігається, так як фактор Шміда дорівнює нулю, тому відсутня пластична деформація, попередня втомного руйнування.

Дослідження структури зламів при великих збільшеннях дозволило виявити втомні борозенки, т. Е. Фронт поширення тріщини, в напрямку [112]. За цими даними можна зробити висновок, що тріщина одночасно зростає в двох напрямках <112>, це еквівалентно макроскопическому напрямку <110>.

Втомні руйнування монокристалів при підвищених температурах мають деякі особливості, пов'язані в основному з окисленням бічній поверхні. Чим вище температура випробування і менш жаростійкий сплав, тим більше окислення впливає на міцність від утоми. Що стосується будови зламів при високих температурах, то тут зберігаються зазначені вище закономірності. Відзначимо лише, що для дюнокрісталлов з орієнтаціями <001> і <111> при підвищених температурах схильність до руйнування по кубічним площинах {001} зростає, а частка кристаллографического зламу зменшується. Відповідно збільшується зона некрісталлографіческого зламу перпендикулярно осі зразка; на цій стадії тріщина росте по междендрітним ділянкам. Якщо високотемпературні випробування на втому проводяться на зразках з покриттям, то руйнування ініціюється тріщинами в покритті, які проникають всередину зразка по междендрітним просторів.

Опір термоусталості сплавів можна підвищити за рахунок технологічних факторів, зокрема, за рахунок застосування спрямованої кристалізації для отримання столбчатой або монокристалів вої макроструктури. Дослідження показують, що термоусталостная довговічність зразків з монокристаллической структурою в 1,5-2,0 рази вище довговічності направлено закрісталлізірован- них і рівноосних сплавів (рис. 5.20).

Опір термічної втоми жароміцного сплаву MAR-M200 з монокристаллической (1), столбчатой (2) і равноосной (3) макроструктурами

Мал. 5.20. Опір термічної втоми жароміцного сплаву MAR-M200 з монокристаллической (1), столбчатой (2) і равноосной (3) макроструктурами

Як зазначалося вище, для монокристалів нікелю і його сплавів характерна анізотропія пружних постійних, внаслідок чого слід очікувати анизотропию термічної втоми. Дані випробувань на термоусталость методом Коффина монокристалів сплаву MAR-M200 по режиму 100 ^ 950 ° С підтверджують наявність анізотропії. Монокристали з орієнтуванням <112> мають більш низьку міцність. Найменшу термостійкість (по напрузі) показали монокристали з орієнтування <001> і <011>. Якщо відкинути анизотропию пружних властивостей монокристала, розглянувши результати випробувань, в деформаціях відзначають, що монокристали з орієнтування <001> і <111> мають практично рівними характеристиками. Паритет термоусталостной довговічності орієнтувань <001> і <111> досягається за рахунок балансу фізико-механічних властивостей сплаву. Модуль пружності і термічні напруги в напрямку <111> в 2,2-2,4 рази більше, ніж в напрямку <001>, тоді як міцність в напрямку <001> в 1,5 рази менше. В результаті «програш» в фізичних характеристиках компенсується «виграшем» в механічних.

Розглянуті вище закономірності орієнтаційної залежності термоусталості монокристалів жароміцних сплавів справедливі при одноосьовому (або близькому до одноосьовому) напружено-деформований стан. У реальних деталях ВМД такий стан є окремим випадком і може мати місце на крайках лопатки. У загальному випадку напружено-деформований стан лопатки буде плоским (на вільної поверхні) або об'ємним (в серцевині). В такому випадку до аксіальної анізотропії (в поздовжньому напрямку) додається азимутальная анізотропія (в поперечному напрямку). Наприклад, середня довговічність зразків з фіксованою аксиальной орієнтуванням <001> при довільній азимутальной орієнтуванні може відрізнятися в 1,4 рази (табл. 5.6). Таким чином, найбільша термостійкість досягається при збігу поздовжньої осі Zo6pa3ua (лопатки) з напрямком <001> і нормалі до вільної поверхні зразка з напрямком <100>.

Таблиця 5.6

Термостійкість монокристалічних пустотілих зразків зі сплаву ЖС6Ф

КМО

Коліче- ство зразків

Середня довговічність N, цикл

Середнє квадратичне відхилення SgN

аксіальна

азимутальная

<001>

<100>

7

4240

0,16

<001>

<110>

7

2970

0,24

<011>

<100>

2

2040

0,39

<111>

<011>

4

910

0,07

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >