Ускоренная оценка влияния технологических факторов на прочностные характеристики Ti-6Al-4V и Al-Cu-Mg

摘要

Проблема прочности конструкционных материалов при циклических нагрузках имеет важное значение в конструировании. Значительное количество факторов, которые влияют на характеристики сопротивления усталостному разрушению, предопределило создание многочисленных методов, учитывающих это влияние. Неразрушающие методы, основанные на связи физических процессов деградации материала с деформационными характеристиками, позволяют экспериментально оценивать усталостные свойства материалов. Цель работы: анализ процессов диссипации энергии и накопления деформаций, происходящих при неупругом циклическом деформировании образцов на примере титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) и алюминиевого сплава Д16 (Al-Cu-Mg) до и после технологического воздействия. В работе экспериментально исследованы физические процессы деградации образцов (сплавы ВТ6 и Д16), которые сопровождают процесс усталостного повреждения материалов при однородном и неоднородном НДС в области концентратора (в виде отверстия и сварного шва). Используются типовые режимы выхода на режим усталостных испытаний, позволяющие определить критические напряжения в образце материала -напряжение, при котором происходит изменение физических свойств (температуры, деформации) без доведения образцов до усталостного разрушения. Выполнено сравнение критических амплитуд напряжений в цикле для экспериментальных данных и результатов математического моделирования. При помощи метода конечных элементов (МКЭ) оценено влияние концентраторов напряжений на значение критических нагрузок, которые способны выдержать деталь после технологической операции. В результате дана оценка влияния эксплуатационно-технологических факторов на величину критических напряжений, определяемых по температуре и деформациям. Сравнительные испытания образцов сплава ВТ6 и Д16 с концентраторами напряжений и без концентраторов показали, что амплитуды критических напряжений по сравнению с образцами без концентраторов напряжений снижаются более чем на 30 % у материалов. Проведены малоцикловые усталостные испытания образцов из сплава Д16. Выполнено математическое моделирование циклического деформирования образцов в пакете MSC.Магс. Обсуждаются результаты испытаний при циклическом нагружении, показывающие, что характеристики технологического процесса уменьшают амплитуды критических напряжений сплавов ВТ6 и Д16 и ухудшают усталостные свойства алюминиевого сплава Д16. Математическое моделирование показало удовлетворительное соответствие с данными экспериментов. Такое соответствие указывает на возможность проведения качественных численных оценок начала накопления неупругой деформации в конструкциях с концентраторами напряжений при циклическом деформировании и возрастающей амплитудой напряжений с использованием классической модели упругопластического материала с упрочнением.