Сопротивление усталости. 
Материаловедение: монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы

Способность оказывать сопротивление циклическим нагрузкам является одним из критериев оценки качества жаропрочных сплавов.

Сопротивление усталости ЖНС зависит от их макрои микроструктурных особенностей. Зарождение трещин при низкотемпературной усталости происходит по механизму сдвига, а распространение носит транскристаллитный характер. В сплавах с равноосной макроструктурой границы зерен играют роль барьеров на пути усталостной трещины. Поэтому следует ожидать, что при температуре до 0,55Т_пл (Г, — температура начала плавления сплава) преимуществ монокристаллической макроструктуры заметно не будет.

В табл. 5.4 приведены средние значения пределов усталости монокристаллов с ориентациями [001 ] и [ 111 ] из сплавов ЖС6Ф, ЖС32, ЖС36 и ЖС40 при различных температурах испытания. Несмотря на различный состав, монокристаллы всех жаропрочных сплавов об;

наруживают аномальную температурную зависимость предела усталости с максимумом в температурном интервале 800—900 °С. Подобную температурную зависимость имеет предел текучести сплавов.

Таблица 5.4

Пределы усталости монокристаллов с ориентациями [001 ] и [111] при различных температурах

Основными очагами зарождения микротрещин усталости являются карбиды и микропоры. Поскольку в безуглеродистых монокристаллах из сплавов ЖС36 и ЖС40 карбиды отсутствуют, то пределы усталости в таких монокристаллах при комнатной температуре имеют более высокие значения.

Что касается ориентационной зависимости пределов усталости о_, то для всех исследованных сплавов она положительна, то есть ориентация [111] оказывается сильнее [001 ]. Как следует из табл. 5.4, по крайней мере для сплава ЖС36, монокристаллы обеих ориентаций имеют одинаковые пределы усталости при температуре 1100 °C. Таким образом, анизотропия пределов многоцикловой усталости вырождается при высоких температурах подобно тому, как это имеет место при кратковременных и длительных статических испытаниях.

В отличие от поликристаллов жаропрочных сплавов с равноосной структурой, монокристаллы обладают высокой чувствительностью к концентраторам напряжений. Об этом свидетельствуют результаты испытаний на усталость образцов с надрезом (теоретический коэффициент концентрации напряжений а = 2,33). Особенно высокую чувствительность к концентраторам напряжений имеют монокристаллы углеродистых сплавов ЖС6Ф и ЖС32, для которых при комнатной температуре коэффициент К_а = о™/сг!⁾]^ш = 2,5…3, тогда как для безуглеродистых монокристаллов из сплавов ЖС36 и ЖС40 он равен 1,5—1,6. Общим для всех сплавов является снижение чувствительности к концентрации напряжений при повышенных температурах. Повидимому, высокую чувствительность монокристаллов к концентрации напряжений можно объяснить отсутствием границ зерен, которые в некотором роде являются препятствием на пути распространения магистральной трещины усталости. Поскольку в поликристаллах ориентация зерен произвольна, то трещина изменяет свое направление распространения всякий раз, когда она пересекает границы зерен. Это сопровождается увеличением длины траектории трещины усталости. Напротив, в монокристаллах с надрезом трещина усталости практически беспрепятственно распространяется через весь образец.

Фрактографические исследования поверхностей излома монокристаллов позволяют выявить очаги зарождения трещин усталости, а также микроскопические особенности ее распространения. В общем случае на поверхности усталостного излома можно выделить три зоны, соответствующие различным стадиям распространения трещин.

Кристаллографическая зона I соответствует стадии образования устойчивых полос скольжения по плоскостям, вдоль которых и происходит рост трещин. Некристаллографическая зона II соответствует стадии распространения магистральной трещины чаще всего перпендикулярно главным нормальным напряжениям. Наконец, в зоне III происходит однократный статический долом.

Кристаллографическая зона усталостного излома имеет гладкий скольный вид и может занимать до 80% поверхности. С повышением уровня напряжений доля площади, занимаемой кристаллографической зоной, уменьшается. Распространение трещин усталости в зоне I происходит по плоскостям октаэдра {111} в направлении [011], что совпадает с обычной системой скольжения в монокристаллах жаропрочных сплавов. На скольных плоскостях октаэдра образуется характерный ручейковый узор и полосы, совпадающие с направлением распространения трещины [011].

Ручейковый узор представляет собой микродоломы, возникающие при распространении трещины усталости по параллельным плоскостям, лежащим на разных уровнях. Полосы, совпадающие с направлениями, соответствуют границам областей распространения трещины по непараллельным плоскостям октаэдра. В большинстве случаев очаги усталостного разрушения находятся в определенных с кристаллографической точки зрения местах залегания карбидов или микропор на поверхности образца или под его поверхностью. В монокристаллах двух исследованных ориентаций [001] и [111] наблюдается ориентационная зависимость возникновения очагов усталостного разрушения (табл. 5.5).

Таблица 5.5

Кристаллографические элементы на поверхности усталостного разрушения монокристаллов сплавов ЖС32 и ЖС6 Ф

При комнатной температуре в монокристаллах с ориентацией [001 ] трещина усталости распространяется в октаэдрической плоскости, наклоненной к оси образца. Контур излома приобретает форму эллипса, и очаг разрушения расположен в месте пересечения большой оси эллипса с боковой поверхностью образца. При этом может быть два случая. Большая ось эллипса совпадает с кристаллографическим направлением [112], которое лежит в октаэдрической плоскости. Если ориентировать очаг разрушения относительно направлений, лежащих в азимутальной плоскости образца, то в случае распространения трещины по одной плоскости {111} очаг будет расположен в месте пересечения направления [010] с боковой поверхностью. Таких пересечений будет четыре, что соответствует максимальному числу возможных октаэдрических плоскостей разрушения в монокристаллах с ориентацией [001].

Если очаг разрушения возникает в месте выхода направления [010], то распространение трещины происходит по двум из четырех возможных плоскостей октаэдра {111}; если же очаг возникает в месте пересечения направления [ 110] с боковой поверхностью, то трещина распространяется по одной плоскости октаэдра.

В монокристаллах с ориентацией [110] зарождение усталостных трещин может происходить в двух местах выхода направлений [001] и разрушение происходит по двум октаэдрическим плоскостям, так как две другие плоскости октаэдра параллельны оси образца.

В монокристаллах с ориентацией [111] очаги зарождения трещин располагаются преимущественно в местах выхода направлений [112] на поверхность рабочей части образца.

Усталостное разрушение происходит по 1—3 плоскостям октаэдра, наклоненным к оси образца. Усталостного разрушения по плоскости октаэдра (111), перпендикулярной оси образца, не наблюдается, так как фактор Шмида равен нулю, поэтому отсутствует пластическая деформация, предшествующая усталостному разрушению.

Исследование структуры изломов при больших увеличениях позволило выявить усталостные бороздки, т. е. фронт распространения трещины, в направлении [112]. По этим данным можно заключить, что трещина одновременно растет в двух направлениях, это эквивалентно макроскопическому направлению .

Усталостные разрушения монокристаллов при повышенных температурах имеют некоторые особенности, связанные в основном с окислением боковой поверхности. Чем выше температура испытания и менее жаростойкий сплав, тем больше окисление влияет на усталостную прочность. Что касается строения изломов при высоких температурах, то здесь сохраняются отмеченные выше закономерности. Отметим лишь, что для дюнокристаллов с ориентациями и при повышенных температурах склонность к разрушению по кубическим плоскостям {001} возрастает, а доля кристаллографического излома уменьшается. Соответственно увеличивается зона некристаллографического излома перпендикулярно оси образца; на этой стадии трещина растет по междендритным участкам. Если высокотемпературные испытания на усталость проводятся на образцах с покрытием, то разрушение инициируется трещинами в покрытии, которые проникают вглубь образца по междендритным пространствам.

Сопротивление термоусталости сплавов можно повысить за счет технологических факторов, в частности, за счет применения направленной кристаллизации для получения столбчатой или монокристаллической макроструктуры. Исследования показывают, что термоусталостная долговечность образцов с монокристаллической структурой в 1,5—2,0 раза выше долговечности направленно закристаллизированных и равноосных сплавов (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Сопротивление термической усталости жаропрочного сплава MAR-M200 с монокристаллической (1), столбчатой (2) и равноосной (3) макроструктурами.

Как отмечалось выше, для монокристаллов никеля и его сплавов характерна анизотропия упругих постоянных, вследствие чего следует ожидать анизотропию термической усталости. Данные испытаний на термоусталость методом Коффина монокристаллов сплава MAR-M200 по режиму 100⁹⁵⁰ °С подтверждают наличие анизотропии. Монокристаллы с ориентировкой имеют более низкую прочность. Наименьшую термостойкость (по напряжению) показали монокристаллы с ориентировками и. Если отбросить анизотропию упругих свойств монокристалла, рассмотрев результаты испытаний, в деформациях отмечают, что монокристаллы с ориентировками и обладают практически равными характеристиками. Паритет термоусталостной долговечности ориентировок и достигается за счет баланса физико-механических свойств сплава. Модуль упругости и термические напряжения в направлении в 2,2—2,4 раза больше, чем в направлении, тогда как прочность в направлении в 1,5 раза меньше. В результате «проигрыш» в физических характеристиках компенсируется «выигрышем» в механических.

Рассмотренные выше закономерности ориентационной зависимости термоусталости монокристаллов жаропрочных сплавов справедливы при одноосном (или близком к одноосному) напряженно-деформированном состоянии. В реальных деталях ГТД такое состояние является частным случаем и может иметь место на кромках лопатки. В общем случае напряженно-деформированное состояние лопатки будет плоским (на свободной поверхности) или объемным (в сердцевине). В таком случае к аксиальной анизотропии (в продольном направлении) добавляется азимутальная анизотропия (в поперечном направлении). Например, средняя долговечность образцов с фиксированной аксиальной ориентировкой при произвольной азимутальной ориентировке может отличаться в 1,4 раза (табл. 5.6). Таким образом, наибольшая термостойкость достигается при совпадении продольной оси Zo6pa3ua (лопатки) с направлением и нормали к свободной поверхности образца с направлением .

Таблица 5.6

Термостойкость монокристаллических пустотелых образцов из сплава ЖС6Ф.