RU2808692C9 - Method for determining fatigue crack growth rate in vacuum - Google Patents
Method for determining fatigue crack growth rate in vacuum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808692C9 RU2808692C9 RU2023109721A RU2023109721A RU2808692C9 RU 2808692 C9 RU2808692 C9 RU 2808692C9 RU 2023109721 A RU2023109721 A RU 2023109721A RU 2023109721 A RU2023109721 A RU 2023109721A RU 2808692 C9 RU2808692 C9 RU 2808692C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- growth rate
- fatigue crack
- determining
- crack
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 58
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims abstract description 15
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 101100478237 Caenorhabditis elegans ost-1 gene Proteins 0.000 description 2
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области испытаний деталей машин и касается способа определения скорости роста трещин от циклических нагрузок в образцах, изготовленных из материалов, применяемых преимущественно в газотурбинных двигателях.The invention relates to the field of testing machine parts and concerns a method for determining the rate of crack growth from cyclic loads in samples made from materials used primarily in gas turbine engines.
Свойства скорости роста трещины усталости определяются по результатам испытаний стандартных образцов. Метод определения скорости роста трещины усталости при циклических испытаниях с постоянной амплитудой нагрузки представлен в отраслевом стандарте ОСТ 1 92127-90. Стандартные образцы, описанные в стандарте, имеют исходный надрез с предварительно нанесенной усталостной трещиной начальной длины. В процессе испытаний образцы подвергаются циклической нагрузке постоянной амплитуды, под воздействием которой происходит рост трещины. В процессе циклического нагружения при использовании средств измерения физической длины трещины фиксируется прирост длины трещины в функции числа циклов нагружения. Результатом испытаний являются экспериментальные данные, содержащие замеры длины L трещины, в зависимости от числа N циклов нагружения. Для определения скорости роста трещины усталости экспериментальные данные в соответствии с ОСТ 1 92127-90 могут быть представлены зависимостью lg(dL/dN) от lg(ΔK), где ΔК - размах коэффициента интенсивности напряжений (Фиг. 3).The fatigue crack growth rate properties are determined from the test results of standard samples. The method for determining the fatigue crack growth rate during cyclic tests with a constant load amplitude is presented in the industry standard OST 1 92127-90. The standard specimens described in the standard have an initial notch with a pre-applied fatigue crack of initial length. During testing, samples are subjected to a cyclic load of constant amplitude, under the influence of which crack growth occurs. During cyclic loading, using means of measuring the physical length of a crack, the increase in crack length is recorded as a function of the number of loading cycles. The result of the tests is experimental data containing measurements of the crack length L, depending on the number N of loading cycles. To determine the fatigue crack growth rate, experimental data in accordance with OST 1 92127-90 can be represented by the dependence of log(dL/dN) on log(ΔK), where ΔK is the range of the stress intensity factor (Fig. 3).
Известно, что наблюдается отличие в скоростях роста трещины усталости на воздухе и в вакууме [Скорость роста трещин и живучесть металла. Школьник Л.М. М, «Металлургия», 1973. 216 с.]. Снижение скорости роста в вакууме по сравнению с воздушной средой наблюдается для никелевых гранулируемых сплавов, используемых при изготовлении высоконагруженных дисков газотурбинных двигателей [Everitt Е., M.J. Starink, P.A.S. Reed. Temperature and Dwell Dependence of Fatigue Crack Propagation in Various Heat Treated Turbine Disc Alloys // Superalloys 2008 -2008. - P.741-750.]. В никелевых гранулируемых сплавах возможно наличие внутренних дефектов, обусловленных технологией изготовления. Трещины от данных дефектов развиваются в условии вакуума. Для получения скорости роста трещины усталости в вакууме необходимо проведение циклических испытаний стандартных образцов в вакуумной камере для исключения возможности контакта образца с окружающей средой. Необходимость использования вакуумной камеры для получения скорости роста трещины усталости в вакууме является недостатком известного способа, так как требует наличие дополнительного дорогостоящего оборудования.It is known that there is a difference in the growth rates of fatigue cracks in air and in vacuum [Crack growth rate and survivability of metal. Schoolboy L.M. M, “Metallurgy”, 1973. 216 p.]. A decrease in the growth rate in a vacuum compared to air is observed for granulated nickel alloys used in the manufacture of highly loaded disks of gas turbine engines [Everitt E., M.J. Starink, P.A.S. Reed. Temperature and Dwell Dependence of Fatigue Crack Propagation in Various Heat Treated Turbine Disc Alloys // Superalloys 2008 -2008. - P.741-750.]. Nickel granulated alloys may contain internal defects due to manufacturing technology. Cracks from these defects develop in a vacuum. To obtain the growth rate of a fatigue crack in a vacuum, it is necessary to carry out cyclic tests of standard samples in a vacuum chamber to exclude the possibility of contact of the sample with the environment. The need to use a vacuum chamber to obtain the growth rate of a fatigue crack in a vacuum is a disadvantage of the known method, since it requires additional expensive equipment.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного способа, является получение скорости роста трещины усталости в вакууме без использования вакуумной камеры.The technical result achieved when using the claimed method is to obtain the growth rate of a fatigue crack in a vacuum without using a vacuum chamber.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе определения скорости роста трещины усталости, включающем циклическое нагружение с постоянной амплитудой нагрузки на образец с внедренным дефектом, измерение прироста трещины и определение скорости роста трещины усталости, согласно заявленному способу для определения скорости роста трещины усталости от внутренних дефектов в вакууме в качестве образца используют образец с внедренным дефектом в виде плоской таблетки, расположенной внутри образца поперечно его продольной оси, при этом циклические нагружения производят до разрушения образца.This technical result is achieved by the fact that in the claimed method for determining the growth rate of a fatigue crack, including cyclic loading with a constant load amplitude on a sample with an embedded defect, measuring crack growth and determining the growth rate of a fatigue crack, according to the claimed method for determining the growth rate of a fatigue crack from internal defects in a vacuum, a sample with an embedded defect in the form of a flat tablet located inside the sample transverse to its longitudinal axis is used as a sample, and cyclic loading is carried out until the sample is destroyed.
Предпочтительно в качестве образца используют цилиндрический образец или образец с прямоугольным поперечным сечением.Preferably, a cylindrical sample or a sample with a rectangular cross-section is used as the sample.
Предпочтительно используют образец с внедренным дефектом в виде плоской цилиндрической таблетки.Preferably, a sample with an embedded defect in the form of a flat cylindrical tablet is used.
Предпочтительно измерение прироста трещины производят с помощью метода измерения разности электрических потенциалов.Preferably, crack growth is measured using the electrical potential difference method.
Предпочтительно образец с внедренным дефектом получать методом изостатического прессования гранулируемых сплавов.It is preferable to obtain a sample with an embedded defect by isostatic pressing of granulated alloys.
Предпочтительно использовать образец с площадью в сечении разрушения, обеспечивающей максимальное напряжение в сечении, не превышающее предел текучести.It is preferable to use a sample with an area in the fracture section that provides a maximum stress in the section that does not exceed the yield strength.
Предпочтительно максимальное напряжение в сечении не превышает 0,8 от предела текучести материала образца.Preferably, the maximum stress in the section does not exceed 0.8 of the yield strength of the sample material.
Определение скорости роста трещины усталости осуществляют фрактографическим способом после разрушения образца.Determination of the growth rate of a fatigue crack is carried out using a fractographic method after the destruction of the sample.
На фиг. 1 представлен цилиндрический образец для испытаний по определению скорости роста трещины усталости.In fig. Figure 1 shows a cylindrical sample for testing to determine the growth rate of a fatigue crack.
На фиг. 2 представлено сечение цилиндрического образца по сечению А-А.In fig. Figure 2 shows a cross-section of a cylindrical sample along section A-A.
На фиг. 3 представлено изображение поверхности излома образца.In fig. Figure 3 shows an image of the fracture surface of the sample.
На фиг. 4 представлена зависимость скорости роста трещины усталости dL/dN от величины размаха коэффициента интенсивности напряжений ΔК с фрагментом изображения участка поверхности излома образца.In fig. Figure 4 shows the dependence of the fatigue crack growth rate dL/dN on the magnitude of the stress intensity factor range ΔK with a fragment of the image of a section of the fracture surface of the sample.
На фиг. 5 представлена экспериментально определенная зависимость скорости роста трещины усталости dL/dN от величины размаха коэффициента интенсивности напряжений ΔК в логарифмических координатах.In fig. Figure 5 shows the experimentally determined dependence of the fatigue crack growth rate dL/dN on the range of the stress intensity factor ΔK in logarithmic coordinates.
Цилиндрический образец 1 имеет длину и диаметр рабочей части Lраб и Dраб, общую длину и диаметр резьбы Loбp и Dpeз. Через резьбовые соединения 2 образца 1 происходит соединение с захватами испытательной установки. Циклическая нагрузка прикладывается через захваты и направлена вдоль оси образца 1.Cylindrical sample 1 has a length and diameter of the working part L slave and D slave , a total length and thread diameter L obp and D res . Through threaded connections 2 of sample 1 there is a connection with the grips of the test installation. The cyclic load is applied through the grips and is directed along the axis of sample 1.
В центре рабочей части располагается внедренный дефект 3 (фиг. 1, 2) диаметром Dдеф. Данный дефект 3 выполняет функцию, аналогичную функции надреза в стандартных образцах известного метода. Внедренный дефект 3 изготавливается из материала, не вступающего во взаимодействие с материалом образца 1 при его изготовлении и испытаниях, например, оксида алюминия. Дефект 3 выполнен в виде плоской, предпочтительно цилиндрической таблетки, расположенной в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца и направления действия циклического нагружения. При такой форме и расположении дефекта 3 возникает концентратор напряжений, от которого происходит зарождение и последующий рост трещины в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца. Форма и расположение дефекта имеют решающее значение при зарождении трещины, например, от дефекта шарообразной формы диаметром Dдеф значение величины концентратора напряжений меньше, следовательно, число циклов до зарождения трещины больше.In the center of the working part there is an embedded defect 3 (Fig. 1, 2) with a diameter D def . This defect 3 performs a function similar to that of a notch in standard samples of the known method. The introduced defect 3 is made of a material that does not interact with the material of sample 1 during its manufacture and testing, for example, aluminum oxide. Defect 3 is made in the form of a flat, preferably cylindrical tablet located in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the sample and the direction of action of cyclic loading. With this shape and location of defect 3, a stress concentrator arises, from which the initiation and subsequent growth of a crack occurs in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the sample. The shape and location of the defect are decisive for crack initiation, for example, from a spherical defect with a diameter D def the value of the stress concentrator is smaller, therefore, the number of cycles before crack initiation is greater.
Диаметры Dpaб и подбираются таким образом, чтобы при заданной максимальной нагрузке цикла нагружения в сечении с трещиной обеспечивалась величина номинальных напряжений, не превышающая 0,8 от предела текучести.The diameters D pab and are selected in such a way that at a given maximum load of the loading cycle in the section with a crack, a value of nominal stresses is ensured that does not exceed 0.8 of the yield strength.
Образец изготавливается методом изостатического прессования гранулируемых сплавов. Внедренный дефект позиционируется в образце на этапе засыпки порошка в капсульную оснастку.The sample is produced by isostatic pressing of granulated alloys. The introduced defect is positioned in the sample at the stage of filling the powder into the capsule equipment.
Испытания продолжаются до разрушения образца. В процессе испытаний может контролироваться прирост трещины с помощью метода измерения разности электрических потенциалов.Tests continue until the sample is destroyed. During testing, crack growth can be monitored using the electrical potential difference method.
Контроль методом измерения разности электрических потенциалов основан на том, что если в образце, по которому течет постоянный ток неизменной величины, развивается трещина, то вследствие уменьшения сечения образца в плоскости прироста трещины возрастает его электрическое сопротивление, и разность электрических потенциалов между двумя точками, расположенными по обе стороны от трещины, увеличивается.Control by measuring the difference in electrical potentials is based on the fact that if a crack develops in a sample through which a constant current of constant magnitude flows, then due to a decrease in the cross-section of the sample in the plane of crack growth, its electrical resistance increases, and the difference in electrical potentials between two points located along both sides of the crack increases.
После разрушения образца проводится фрактографическое исследование поверхности излома (Фиг. 3). При исследовании определяется форма трещины на разных этапах ее роста. Также проводится поиск участков, на которых наблюдается формирование усталостных бороздок, ширина шага которых соответствует приросту трещины за один цикл нагружения [Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Уфа: Монография, 2003. 802 с.]. Для каждого участка фиксируются координаты и измеренная ширина шага усталостных бороздок. Наличие бороздок свидетельствует о периоде роста трещины, соответствующему устойчивому участку кинетической диаграммы (Фиг. 4).After destruction of the sample, a fractographic study of the fracture surface is carried out (Fig. 3). The study determines the shape of the crack at different stages of its growth. A search is also carried out for areas where the formation of fatigue grooves is observed, the step width of which corresponds to the growth of a crack during one loading cycle [Shanyavsky A.A. Safe fatigue failure of aircraft structure elements. Ufa: Monograph, 2003. 802 p.]. For each section, the coordinates and measured step width of the fatigue grooves are recorded. The presence of grooves indicates a period of crack growth corresponding to a stable section of the kinetic diagram (Fig. 4).
Далее проводится ряд расчетов методом конечных элементов моделей образца с формами трещины на разных этапах ее роста для определения размахов коэффициентов интенсивности напряжений ΔК.Next, a series of finite element calculations are carried out on sample models with crack shapes at different stages of its growth to determine the range of stress intensity factors ΔK.
Далее в соответствии каждому измеренному участку ширины шага усталостных бороздок ставится определенный расчетным методом размах коэффициентов интенсивности напряжений ΔК и строится зависимость в логарифмических координатах для получения диаграммы (Фиг. 5).Next, in accordance with each measured section of the step width of the fatigue grooves, the range of stress intensity factors ΔK determined by the calculation method is set and a dependence is plotted in logarithmic coordinates to obtain a diagram (Fig. 5).
Реализация предложенного способа показана на примере цилиндрического образца из гранулируемого никелевого сплава. Образец имеет следующие размеры Lобр=120мм, Dpeз = 27 мм, Lраб = 40мм, Dpa6 =12 мм, Dдеф = 4 мм. Максимальная нагрузка в цикле Рмакс=50 000 Н, коэффициент асимметрии цикла R = 0,1.The implementation of the proposed method is shown using the example of a cylindrical sample made of a granulated nickel alloy. The sample has the following dimensions L arr = 120 mm, D pe = 27 mm, L slave = 40 mm, D pa6 = 12 mm, D def = 4 mm. Maximum load in the cycle P max = 50,000 N, cycle asymmetry coefficient R = 0.1.
После проведения циклических испытаний до момента разрушения образца определены геометрические параметры трещины на разных этапах ее роста и измерена ширина шага усталостных бороздок на разных участках с применением фрактографического исследования (Фиг. 4).After carrying out cyclic tests until the sample fails, the geometric parameters of the crack were determined at different stages of its growth and the pitch width of the fatigue grooves was measured in different areas using fractographic research (Fig. 4).
Далее проведен конечно-элементный расчет модели образца с трещиной и определены значения размахов коэффициентов интенсивности напряжений, соответствующих участкам измерения усталостных бороздок.Next, a finite element calculation of a model of a sample with a crack was carried out and the values of the ranges of stress intensity factors corresponding to the areas where fatigue grooves were measured were determined.
После в логарифмических координатах строится зависимость ширины шага усталостных бороздок (скорости роста трещины усталости dL/dN) от величины размаха коэффициента интенсивности напряжений ΔК (Фиг. 5).Then, in logarithmic coordinates, the dependence of the step width of the fatigue grooves (fatigue crack growth rate dL/dN) on the magnitude of the stress intensity factor ΔK is plotted (Fig. 5).
Таким образом с необходимой достоверностью и точностью определена зависимость скорости роста трещины усталости в вакууме от величины коэффициента интенсивности напряжений без использования вакуумной камеры.Thus, with the necessary reliability and accuracy, the dependence of the growth rate of a fatigue crack in a vacuum on the value of the stress intensity factor was determined without using a vacuum chamber.
Claims (8)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2808692C1 RU2808692C1 (en) | 2023-12-01 |
| RU2808692C9 true RU2808692C9 (en) | 2023-12-29 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU959958A1 (en) * | 1981-03-19 | 1982-09-23 | Предприятие П/Я В-8534 | Method of obtaining artificial deffect to bimetallic connections of steel to different alloys |
| RU2730115C1 (en) * | 2020-03-18 | 2020-08-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" | Method of testing for strength of a disc of a turbomachine, having concentrators of stresses in the form of holes, and a device for its implementation |
| US11428614B2 (en) * | 2015-03-24 | 2022-08-30 | Textron Innovations Inc. | Notch treatment methods for flaw simulation |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU959958A1 (en) * | 1981-03-19 | 1982-09-23 | Предприятие П/Я В-8534 | Method of obtaining artificial deffect to bimetallic connections of steel to different alloys |
| US11428614B2 (en) * | 2015-03-24 | 2022-08-30 | Textron Innovations Inc. | Notch treatment methods for flaw simulation |
| RU2730115C1 (en) * | 2020-03-18 | 2020-08-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" | Method of testing for strength of a disc of a turbomachine, having concentrators of stresses in the form of holes, and a device for its implementation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Everitt Е., M.J. Starink, P.A.S. Reed. Temperature and Dwell Dependence of Fatigue Crack Propagation in Various Heat Treated Turbine Disc Alloys // Superalloys 2008 -2008. - P.741-750. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2808692C9 (en) | Method for determining fatigue crack growth rate in vacuum | |
| RU2808692C1 (en) | Method for determining fatigue crack growth rate in vacuum | |
| Dyson et al. | Creep fracture in Nimonic 80A under triaxial tensile stressing | |
| CN111198140A (en) | Method for rapidly predicting fatigue limit of welding joint based on fatigue damage entropy production rate | |
| Hartweg et al. | Analysis of the crack location in notched steel bars with a multiple DC potential drop measurement | |
| CN114509366B (en) | A performance evaluation method for rock true triaxial testing machine | |
| RU2368888C1 (en) | Method to check pipes for antirust strength | |
| CN113409900A (en) | Method and device for acquiring strain-life characteristic curve of rubber material | |
| RU2461808C2 (en) | Method of determining parameters of endurance curve of metals | |
| JP2018185274A (en) | Method and computer program for predicting fatigue limit | |
| CN114660125B (en) | Method for detecting initial thermal damage of airplane resin-based carbon fiber composite material | |
| BG64998B1 (en) | Method for testsing structural materials fatigue | |
| CN103743636A (en) | Method for predicting fatigue crack propagation threshold value of welded joint | |
| RU2554306C2 (en) | Method of assessment of micromechanical characteristics of local areas of metals | |
| SU1460664A1 (en) | Method of determining ultimate strength of material | |
| RU2686877C1 (en) | Method for determination of endurance limit of steel parts and samples | |
| CN117711545B (en) | A method for predicting torsional fatigue life of metallic materials based on M-integral | |
| Baus et al. | Notch and Low-Cycle Fatigue Data | |
| CN109991097A (en) | Damage intensity-based rock loading and unloading response ratio change point discrimination method | |
| RU2028602C1 (en) | Method of accelerated material fatigue test | |
| RU2465565C1 (en) | Manufacturing method of specimens of high-rate metal of oil-gas equipment for cyclic crack resistance testing | |
| JP6126962B2 (en) | Welding member life evaluation method | |
| SU896491A1 (en) | Method of determination of material specimen crack resistance | |
| RU2668644C1 (en) | Method of determining fatigue failure of structural elements made of polymer composite material | |
| RU2240533C2 (en) | Method of detecting failure site on structure |