КОНЕЧНО - ЭЛЕМЕНТНОЕ И АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕНИ ВЫДЕРЖКИ И КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ (КГО) НА ТЕРМОУСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ПРИМЕРЕ КОРСЕТНОГО ОБРАЗЦА ДЛЯ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Артем Савиковский

КОНЕЧНО - ЭЛЕМЕНТНОЕ И АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕНИ ВЫДЕРЖКИ И КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ (КГО) НА ТЕРМОУСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ПРИМЕРЕ КОРСЕТНОГО ОБРАЗЦА ДЛЯ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Монокристаллические сплавы на никелевой основе [1] широко используются в качестве конструкционных материалов для деталей газотурбинных двигателей (ГТД) [2]. Термоусталостная прочность таких материалов с анизотропией механических свойств еще не до конца изучена. Целью данной работы является исследование влияния выдержки при максимальной температуре и КГО монокристаллов на основе деформационного критерия [3] на термоусталостную долговечность с использованием результатов конечно-элементного (КЭ) моделирования натурных экспериментов и аналитического описания. Для исследования термоусталостной прочности в НПО ЦКТИ разработана установка (рис.1) [2, с.258], на которой проводятся эксперименты на различных типах образцов, включая корсетный (плоский).

Механика

Статьи

Вуз: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

ID: 5e9b3f64ca23590001c2230b

UUID: e876f1a0-63cb-0138-3143-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: около 4 лет назад

Просмотры: 7

186.24

Артем Савиковский

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 991,7 КБ

Поделиться работой

УДК 539.374, 548.55 А.В. Савиковский1, А.С. Семенов1, Л.Б. Гецов2 1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого 2 Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова КОНЕЧНО - ЭЛЕМЕНТНОЕ И АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕНИ ВЫДЕРЖКИ И КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ (КГО) НА ТЕРМОУСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ПРИМЕРЕ КОРСЕТНОГО ОБРАЗЦА ДЛЯ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ Монокристаллические сплавы на никелевой основе [1] широко используются в качестве конструкционных материалов для деталей газотурбинных двигателей (ГТД) [2]. Термоусталостная прочность таких материалов с анизотропией механических свойств еще не до конца изучена. Целью данной работы является исследование влияния выдержки при максимальной температуре и КГО монокристаллов на основе деформационного критерия [3] на термоусталостную долговечность с использованием результатов конечно-элементного (КЭ) моделирования натурных экспериментов и аналитического описания. Для исследования термоусталостной прочности в НПО ЦКТИ разработана установка (рис.1) [2, с.258], на которой проводятся эксперименты на различных типах образцов, включая корсетный (плоский). Зафиксированный двумя болтами, корсетный образец (рис. 2) периодически нагревается и охлаждается путем пропускания через него электрического тока. Рис. 1.Установка для проведения термоусталостных испытаний Рис. 2. Геометрия корсетного образца для термоусталостных испытаний Моделирование неупругого деформирования корсетного образца проводилось для сплава ВЖМ4, в результате чего была найдена длина образца в упрощенной постановке без оснастки и болтов – 42 мм [4]. Моделирование деформирования корсетного образца в упрощенной постановке проводилось с помощью конечно-элементного комплекса PANTOCRATOR [5], который позволяет учесть микромеханические модели пластичности и ползучести [6]. Принималась полная длина образца 40 мм. Распределение температуры задавалось из экспериментальных данных и линейной интерполяцией во времени. Влияние выдержки при максимальной температуре и влияние (КГО) на количество циклов до образования макротрещины анализируется в диапазоне от 1 мин до 1 часа для циклических режимах нагружения: максимальной температуры 1000 °C и разницы температур в 750 °C, максимальной температуры 900 °C и разницы температур в 750 °C. Времена нагрева в цикле были 17с и 18с, времена охлаждения были 40с и 60с. Механические свойства сплава ВЖМ4 были взяты из статьи [7]. Задача решалась в квазистатической трехмерной постановке. Граничными условиями являлись нулевые перемещения в направлении оси x на двух боковых гранях образца с нормалью вдоль оси x. Чтобы исключить твердотельные

движения, перемещения в направлении Y и Z были зафиксированы. Конечно - элементная модель и режим циклического нагрева для режима 250-1000 °C показаны на рис. 3 и 4. Z Y X Рис. 4. Максимальная и минимальная температура цикла в центральной точке образца Рис. 3 КЭ-модель корсетного образца для термоусталостных испытаний. Расчет поврежденности и оценка числа циклов до образования магистральной трещины были сделаны на основе 4-членного деформационного критерия [4]: N D    p eqi k N     с eqi m  eqp  max  eqc (1)  max ,  rp T  0t t  rc T  где первый и второй члены учитывают накопление пластической деформации и деформации ползучести в пределах цикла, третий и четвертый члены - односторонне накопленные пластическую деформацию (рэтчеттинг) и деформацию ползучести. Число циклов до образования макротрещины N определяется из условия D = 1. Максимальная деформация сдвига в системе скольжения с нормалью к плоскости скольжения n и направлением скольжения l рассматривается как эквивалентная деформация. В конечно-элементных i 1 С1 T  i 1 С2  T  0 t tmax max   расчетах принимались значения k = 2, m = 4, C1   rp , C2  34  rc  , 𝜀𝑟 = 𝜀𝑟𝑐 = 𝜀𝑟 = 0.13 для предельных деформаций пластичности и ползучести при одноосном растяжении. Вводится аналитическую аппроксимацию для описания влияния времени выдержки. Принцип аддитивности полной деформации при одноосном растяжении: Ɛ = Ɛ𝑒 + Ɛ𝑝 +Ɛ𝑐 + Ɛ𝑡 = Ɛ0 , где Ɛ = Ɛ0 - полная начальная деформация, Ɛ𝑒 - упругая деформация, Ɛ𝑝 – пластическая деформация, Ɛ𝑐 – деформация ползучести и Ɛ𝑡 − температурная деформация. 𝜎̇ Дифференцируя принцип аддитивности полной деформации, учитывая Ɛ𝑝̇ = 𝐻 , Ɛ𝑐̇ = A𝜎 𝑛 закон Нортона, E+H = 𝐸𝑇 - касательный модуль в МПа и деля уравнение на 𝜎 𝑛 , мы получаем: 𝜎 −𝑛 𝜎̇ = -A𝐸𝑇 . Разделяя переменные, интегрируя от 𝑡0 до времени t и используя 𝑛 закон Нортона, мы получаем Ɛ𝑐̇ = A (𝜎01−𝑛 + (n − 1)A𝐸𝑇 (𝑡 − 𝑡0 ))1−𝑛. Используя замену переменной τ = 𝜎01−𝑛 + (n − 1)A𝐸𝑇 (𝑡 − 𝑡0 ) и интегрируя от 𝑡0 до времени t, мы получаем: 5 ∆Ɛ𝑐 = 𝜎0 𝐸𝑇 (1 - (1 + (n−1)𝐸𝑇 𝜎0 1 𝐴𝜎0𝑛 (𝑡 − 𝑡0 ))1−𝑛) => ∆Ɛ𝑐 = k m 𝜎0 𝐸𝑇 (1 - (1 + 𝑝 (n−1)𝐸𝑇 𝜎0 1 𝐴𝜎0𝑛 (𝑡 − 𝑡0 ))1−𝑛). Используя упрощенный деформационный критерий с учетом 2 слагаемых ползучести Ɛ𝑎𝑐𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙 𝑐 Ɛ𝑟 ∆Ɛ + N ( Ɛ 𝑐)𝑚 =1, где N - число циклов до образования магистральной трещины, мы получаем: 𝑟 N=(𝜎 Ɛ𝑟 1 0 (1 − (1+ (n−1)𝐸𝑇 𝐴𝜎 𝑛 (𝑡 0 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 ))1−𝑛 ) 𝐸𝑇 𝜎0 )𝑚·(1- Ɛ𝑎𝑐𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙 𝑐 Ɛ𝑟 ), (2) где 𝑡𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦 - время выдержки. В процессе вычислений было принято 𝐸𝑇 = 8.6·104 МПа и 𝐸𝑇 = 9.1·104 МПа, 𝜎0 = (𝛼20−Tmax ·Tmax - 𝛼20−Tmin ·Tmin)· 𝐸𝑇 · 0.9, 𝛼20−Tmax и 𝛼20−Tmin коэффициенты линейного температурного расширения, A=2e-27 МПа−𝑛 с−1 и A = 1e − 28 МПа−𝑛 с−1 для разных режимов. Сравнение экспериментальных данных, аналитической аппроксимации и конечно-элементного расчета для режима 250-1000 °С и режима 150-900 °С показано на рис. 5.

а) б) Рис. 5. Сравнение эксперимента, аналитической аппроксимации и результатов расчета для температурных режимов а) 150-900 ⁰С, б) 250-1000 ⁰С Расчетные результаты влияния КГО на термоусталостную долговечность никелевого сплава ВЖМ4 показаны на рис. 6. а) б) Рис. 6. Влияние КГО на термоусталостную прочность ВЖМ4 для температурных режимов а) 150-900 ⁰С, б) 250-1000 ⁰С Результаты сравнения численных расчетов, аналитической аппроксимации и экспериментальных данных показывают, что конечно-элементные и аналитические расчеты в комбинации с деформационным критерием [4] можно использовать для предсказания термоусталостного разрушения монокристаллических никелевых сплавов. Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ No. 16-08-00845. Литература 1. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качалов Е.Б. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов – М.: Машиностроение, 1997. – c. 5. 2. Гецов Л.Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин, в 2 кн. книга 1. - Рыбинск : Газотурбинные технологии, 2010.- с.16. 3. Семенов А.С., Гецов Л.Б. Критерии термоусталостного разрушения монокристаллических жаропрочных сплавов и методы определения их параметров // Проблемы прочности. 2014, № 1. c. 5062. 4. Savikovskii A.V., Semenov A.S., Getsov L.B. Thermo-electro-mechanical modeling of thermal fatigue failure process of corset sample from single-crystal nickel superalloys // Advanced problems in mechanics: proceedings of the XLVI summer school-conference.-SPb.: SPbPU and IPME RAS.-2018.-p. 228-238. 5. Семёнов А.С. PANTOCRATOR конечно-элементный программный комплекс, ориентированный на решение нелинейных задач механики / Труды V-ой Межд. конф. "Научнотехнические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций". СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. С. 466-480. 6. Besson, J., Cailletaud, G., Chaboche, J.-L., Forest, S., Blétry, M.: Non-Linear Mechanics of Materials, Springer, 2010. 7. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения. Юбилейный науч.-техн. сб. Авиационные материалы и технологии. М:Труды ВИАМ 2012, С.36-52.

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв