ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Вентиляторные лопатки двигателя из "Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций " В области типичного разрушения титановых лопаток со скоростями роста трещины менее 10 м/цикл с высокой или низкой асимметрией цикла происходит формирование так называемого фасеточного или псевдобороздчатого рельефа (см. главу 3). Его морфологические особенности в значительной мере связаны со структурой материала лопаток. [c.580] Переход в область роста трещины со скоростями, существенно превышающими 10 м/цикл, сопровождается формированием типичного ре.льефа излома в виде усталостных бороздок. Их формирование приводит к принципиально иной морфологии рельефа излома, что может быть использовано для однозначной трактовки процесса усталостного разрушения по частотным характеристикам и уровню напряжения. [c.580] В представленном соотношении указана связь между определяемым фрактографически уровнем эквивалентного напряжения 7 и уровнем одноосного циклического напряжения с нулевой асимметрией цикла через поправочную функцию с параметрами X,. Каждый параметр характеризует условия циклического нагружения элемента конструкции в эксплуатации. Поскольку после разрушения любого элемента конструкции, в том числе и лопаток ГТД, никогда не известны условия его нагружения в полной мере, то всегда определяемая фрактографически величина эквивалентного уровня напряжения не позволяет дать оценку значимости в разрушении того или иного фактора внешнего воздействия. Однако она указывает на интегральную роль условий нагружения на затраты энергии при циклическом нагружении материала в процессе роста трещины. [c.581] Методология анализа эксплуатационных раз- j рушений титановых лопаток в полной мере была реализована на лопатках вентилятора двигателя Д-18, поэтому ниже подробно рассмотрен случай разрушения титановых лопаток первой ступени вентилятора этого двигателя. Принципиальное I значение в рассматриваемом случае имела именно количественная оценка характеристик процесса роста трещин. Эта информация была получена на основе выполненного количественного фрактогра-фического анализа. [c.581] В полете самолета Руслан имело место разрушение части лопаток первой ступени вентилятора двигателя Д-18. Лопатки изготовлены из титанового сплава ВТЗ-1 с глобулярной структурой. Осмотр двигателя при посадке самолета показал, что он не имеет обтекате.дя. Разрушены по основа- нию две лопатки, еще в трех лопатках, также по основанию, имели место трещины протяженностью вплоть до 20 мм со стороны входной кромкн, а часть лопаток вблизи зоны разрушения деформирована (рис. 11.9). [c.581] Комиссия, расследовавшая инцидент, использовала полетную информацию бортового регистратора, который за 9 с до события — начала тряски самолета, зарегистрировал некоторое отклонение в режимах работы двигателя. На этом основании было высказано мнение, что нервоначально произошло разрушение обтекателя, возникли вынужденные, зонтичные колебания диска и в результате этого обрыв двух лопаток. [c.581] Металлографическими исследованиями в плоскости шлифа, удаленной на некоторое рас- стояние от плоскости излома лопаток, показано, что структура материала лопаток удовлетворительная. Доминирует характерная и типичная для лопаточного материала ВТЗ-1 глобулярная струк- тура. Дефекты материала в пределах исследованных объемов не обнаружены. [c.581] Фрактографическому исследованию были подвергнуты две разрушившиеся лопатки и одна лонатка со вскрытой в процессе исследований трещиной. [c.581] Распространение трещины происходило при формировании типичного для титанового сплава с глобулярной структурой псевдобороздчатого рельефа излома, особенности которого были указаны в предыдущем разделе. Это первая стадия усталостного разрущения, когда проявляется структурная чувствительность материала к росту усталостной трещины. [c.584] Особое внимание было уделено зоне излома, где макроскопически на расстоянии около 5 мм от очага разрушения отчетливо просматривалась смена шероховатости излома, обусловившая формирование усталостной линии. Уменьшение шероховатости излома в этой зоне связано с появлением продуктов фреттинга. Это означает резкое снижение скорости роста трещины в этой зоне и свидетельствует даже о ее задержке в течение некоторого периода времени. Продукты фреттинга указывают на контактное взаимодействие берегов трещины, которое происходит в случае задержки трещины при циклическом воздействии на деталь. [c.584] Сказанное иллюстрируют результаты фрак-тографического анализа. Между зоной усталостного разрушения и зоной долома была сформирована зона вытягивания (рис. 11.11). Она формируется, когда деталь с проросшей в ней усталостной трещиной подвергается долому за счет постепенного или быстрого увеличения уровня максимального напряжения, раскрывающего вершину усталостной трещины до статического надрыва материала в условиях сложного напряженного состояния (см. главу 3). [c.584] Окончательное разрушение лопатки происходило не за один акт распространения трещины на все оставшееся сечение детали. На это указывали сформированные грубые линии, которые явились результатом смены шероховатости после перехода к зоне быстрого разрушения лопатки. Оно происходило, по крайней мере, за четыре цикла. [c.585] Обратимся теперь к излому по вскрытой тре-шине, которая явилась продолжением развившейся трещины от указанного выше очага, расположенного вблизи кромки лопатки (см. рис. 11.6). Ее продолжение под основным изломом связано с формированием излома с теми же особенностями рельефа, что были указаны выше. Вместе с тем она имеет сильное загрязнение продуктами фреттинга от контактного взаимодействия берегов трещины. Это связано с ее остановкой на том этапе развития разрушения, когда произошло слияние двух исследуемых трещин. Слияние второй трещины с магистральной происходило в результате образования ее поверхности не от одного, а от нескольких очагов (см. рис. 11.7). Каждый очаг имел самостоятельное распространение, и их слияние обусловило появление второй макротрещины. Каскад растрескиваний, которые были выявлены по границе излома, соответствует каскаду очагов зарождения усталостных трещин вдоль впадины зуба крепления лопатки к диску. Они указывают на такой же характер зарождения полуэллиптических поверхностных трещин, как и в слз ае образования очага у кромки лопатки. Сформированный рельеф излома в указанных очагах свидетельствует о низкой скорости роста трещины в припороговой области усталостного разрушения данного материала. [c.585] разрушение лопатки реализовано в области многоцикловой усталости при низком уровне эквивалентного напряжения. Множество очагов свидетельствует о высоком уровне концентрации нагрузки вдоль зуба. [c.585] Длительность роста трещины и уровень напряжения. Выявленные закономерности много-циклового усталостного разрушения лопатки позволяют провести количественные фрактографи-ческие оценки длительности периода усталостного разрушения и уровня эквивалентного напряжения следующим образом. [c.585] Последний полет самолета, а следовательно, работа лопатки с развивающейся трещиной, продолжался в течение 12 мин. Массивная лопатка первой ступени вентилятора имеет максимальный уровень резонансных напряжений на частоте 200 Гц. Если предположить, что в течение всего последнего полета лопатка имела резонанс на указанной частоте нагружения (т. е. на нее все время в полете действовала максимальная переменная нагрузка), то длительность ее работы составит 12 X 60 X 200 = 144000 циклов. Следовательно, даже если лопатка все время в полете находится в условиях резонанса с указанной частотой колебаний, когда и реализуется в ней максимальный уровень напряжения, то период роста трещины в ней мог быть реализован не менее чем в двух полетах. Трещина в лопатке в предыдущем полете уже была. [c.585] Вместе с тем необходимо учитывать тот факт, что усталостная трещина в лопатке возникла не от надрыва материала, а следовательно, имел место латентный период накопления повреждений и до возникновения усталостной трещины. При наличии концентратора напряжения в области много-цикловой усталости при сложнонапряженном состоянии материала период роста трещины составляет не более 30 % от долговечности детали (см. главу 1). На это указывают результаты экспериментов, представленные в первой главе книги. [c.585] Следовательно, общее число циклов нагружения лопатки с момента ее нафужения на указанной резонансной частоте до окончательного разрушения составило не менее 4 10 3 = 1,2 10 циклов, что соответствует не менее 108 мин работы двигателя в условиях указанного выше резонанса. Поскольку на разных режимах работы двигателя реализуются различные частоты вынужденных колебаний лопатки, то следует увеличить сделанную оценку не менее чем в 2 раза. Это означает, что развитие трещины в лопатке происходило в течение не двух, а нескольких полетов — не менее трех из условия 5-часового полета. [c.586] Проведенная оценка следует из результатов фрактографического анализа. В изломе имеют место усталостные макролинии, которые указывают на смену условий нагружения лопатки по мере роста трещины. Она входила и выходила из резонанса при работавшем двигателе на разных этапах его работы, что и вызвало возрастание и уменьшение уровня напряжения соответственно. Поскольку подробному исследованию была подвергнута лопатка, разрушившаяся второй, то очевидна еще большая продолжительность общего разрушения, начиная с nepBoii разрушившейся лопатки. [c.586] Вернуться к основной статье