Математическое моделирование фрактально-кинетических процессов усталостного разрушения авиационных сплавов с модифицированными поверхностными слоями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Артамонов, Максим Анатольевич

• Артамонов, Максим Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Артамонов, Максим Анатольевич

ф ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ф, ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА СТРУКТУР И ИСПЫТАНИЙ

МАТЕРИАЛОВ С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ

ПОВЕРХНОСТНЫМИ СЛОЯМИ.

1.1. Общие сведения о геометрических фракталах и фрактальной размерности. ф 1.1.1. Фрактал и фрактальная размерность.

1.1.2. Мультифрактальные характеристики.

1.1.3. Фрактографические методы фрактального анализа статистически - самоподобных структур, экспертная визуальная) идентификация.

1.1.3.1 Метод островов среза.

Цг 1.1.3.2 Фурье - анализ профилей.

1.1.3.3 Метод вертикальных сечений.

1.1.3.4. Метод преобразования подобия.

1.1.3.5. Использование фрактальных характеристик для анализа развития разрушения.

1.2. Модифицирование поверхности материала в результате его упрочнения.

1.2.1. Генерация ударной упрочняющей волны.

1.2.2. Остаточные напряжения после лазерного упрочнения.

1.2.3. Остаточные напряжения и поглощающие покрытия.

1.2.4. Размеры лазерного импульса и распространение ударной волны.

1.2.5. Влияние интенсивности лазерного упрочнения на распределение остаточных сжимающих напряжений. 1.2.6. Влияние на остаточные напряжения повторного лазерного упрочнения.

1.2.7. Лазерное упрочнение поверхности тонких сечений.

1.2.8. Влияние лазерного упрочнения на усталостные характеристики материала.

1.2.9. Электроэрозионное воздействие.

1.3. Роль фреттинга в накоплении усталостных повреждений металлом.

1.4. Синергетическое описание роста усталостных трещин.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Методика фрактальной параметризации рельефа излома.

2.2. Методика исследования образцов, упрочненных лазерным способом. 80 2.2.1 Материал и вид образцов. 80 2.2.2. Испытания при четырехточечном изгибе образцов из сплава 2024-Т351.

2.3. Методика исследования образцов после дробеструйной обработки их поверхности с повреждениями от фреттинга.

2.3.1 Материал и вид образцов.

2.3.2. Упрочнение образцов.

2.3.3. Испытания при растяжении упрочнённых образцов из сплава BSL65.

2.4. Методика исследования образцов с электроэрозионными повреждениями поверхности. 88 2.4.1 Материал образцов. 88 2.4.2. Испытания образцов из сплава ЭИ-698 при трехточечном изгибе.

2.5. Анализ и обработка результатов исследования.

2.5.1. Методика проведения фрактографического анализа.

2.5.2. Методика получения кинетической диаграммы роста трещин и поправочных функций.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ НА

УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ СПЛАВА 2024Т

АНАЛОГ Д16Т).

3.1. Остаточные напряжения и шероховатость поверхности.

3.2. Усталостные кривые.

3.3. Фрактографические исследования.

3.4. Кинетика роста трещин после лазерного упрочнения образцов.

3.5. Фрактальный анализ. 123 ВЫВОДЫ по главе

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ С НАНЕСЁННЫМИ НА НИХ ФРЕТТИНГОВЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ.

4.1. Макро- и микроанализ разрушенных в процессе испытания образцов.

4.2. Фрактальный анализ. 149 4.3 Анализ долговечности и живучести образцов. 164 4.4. Анализ кинетики роста усталостных трещин. 174 ВЫВОДЫ по главе

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫХ

ПОВРЕЖДЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ТУРБИННЫХ ДИСКОВ И ДЕФЛЕКТОРОВ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ.

5.1. Динамика нанесения повреждения во время электроэрозионной обработке.

5.2. Результаты металлографических и фрактографических исследований.

5.3. Фрактальный анализ.

5.4. Экспериментальное исследование влияние повреждения на долговечность образцов. 200 ВЫВОДЫ по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование фрактально-кинетических процессов усталостного разрушения авиационных сплавов с модифицированными поверхностными слоями»

Зарождение усталостных трещин в элементах конструкций в процессе эксплуатации происходит по разным причинам и в большинстве случаев связано с возникновением трещин на поверхности детали. Поверхностный слой металла, в котором достигается предельное состояние элемента конструкции в эксплуатации, в частности, воздушного судна (ВС) гражданской авиации, представляет собой зону, через которую металл осуществляет непрерывный обмен энергией с окружающей средой под действием циклической нагрузки.

Среди разных критериев достижения предельного состояния материалом — предел усталости, выносливости и усталостная долговечность используют для характеристики поведения наибольшего числа элементов конструкций. Предельное состояние при том или ином числе циклов нагружения характеризуют кривой усталости или распределением предела выносливости [1]. Используя эти кривые, устанавливают абсолютное значение напряжения цикла, при котором ещё не про

7 О исходит усталостное разрушение до базы испытаний 10 - 10 циклов, если речь идёт об области многоцикловой усталости (МНЦУ). Используют также и ограниченный предел выносливости, соответствующий задаваемой циклической долговечности.

Уровень напряжения ниже предела усталости, gw2, используют для определения допустимого периода эксплуатации без разрушения и даже зарождения усталостной трещины для многих элементов конструкций в области многоцикловой усталости (МНЦУ), когда количество циклов нагружения превышает 107 циклов. Естественно, что, если при достижении указанной наработки изделия не произошло его разрушения, то возникает задача о возможном продлении срока службы, поскольку предел циклической долговечности не достигнут, если считать, что возникновения усталостной трещины и её подрастания ещё не произошло.

Модифицирование поверхностных слоёв путём их упрочнения влияет на достижение предельного состояния материала в поверхностном слое [2-8]. Поэтому от качества модифицирования поверхности, внедряемых новых методов модификации и методов оценки состояния металла в поверхностном слое зависит достоверность оценки срока безопасной эксплуатации изделия.

Усталостное разрушение металла рассматривалось до настоящего времени в рамках традиционных подходов термодинамики. Были написаны уравнения сохранения энергии, на основании которых предельное состояние при разрушении рассматривается, как критическое накопление уровня энергии в замкнутой системе. Однако именно металл, имея свободную поверхность, через которую происходит взаимодействие (обмен) с окружающей средой, является открытой системой, для которой процесс эволюции является нелинейным [9-11]. Он должен быть охарактеризован через соответствующие нелинейные уравнения, которые введены в синергетике, науке, занимающейся изучением эволюции открытых систем, находящихся вдали от равновесия [9,10,12].

Изменилось понимание того, каким образом в металле зарождаются усталостные трещины. Появилось представление о новой области разрушения - сверхмногоцикловая усталость (СВМУ), когда при возрастании числа циклов нагруже-11 ния вплоть до 10 начали наблюдать разрушение металла, которое происходило под поверхностью образца [13-14]. Поверхность металла в этой области разрушений перестала быть тем источником накопления повреждений, который определял его циклическую долговечность. Оказалось, что сложившееся традиционное представление о пределе усталости материала, которое характеризовало возможности эксплуатации конструкции длительное время, потеряло свой смысл. Металл разрушается при уровне напряжения ниже предела усталости. Причём это происходит иначе, чем это ранее наблюдалось - под поверхностью.

Переход к пониманию того, что металл под действием циклической нагрузки представляет собой открытую систему, которая непрерывно обменивается энергией с окружающей средой в процессе эволюции её состояния, привёл к введению новых критериев оценки, как процессов эволюции, так и критических состояний в связи со сменой механизмов накопления повреждений в поверхностном слое [11,15-17]. Принципиальным следует считать вопрос о нелинейности процессов накопления повреждений в открытых системах, которые могут быть реализованы на разных масштабных уровнях [19-22]. В зависимости от стадии эволюционного процесса (например, до или после зарождения трещины) металл устойчиво реализует определённый механизм разрушения в пределах между двумя соседними критическими (дискретно меняющимися) состояниями, являющимися положениями неустойчивости (точки бифуркации). В момент неустойчивости возможно многообразие путей дальнейшего поведения металла в зависимости от способа и условий подвода энергии к нему. Возможно одновременное существование двух процессов эволюции, присущих открытой системе до и после перехода через точку бифуркации. Однако в пределах между двумя критическими точками, отвечающими предельному уровню поглощённой и диссипированной энергии для определённого механизма эволюции, открытая система изменяет своё состояние только тем способом, реализует только тот механизм эволюции, который присущ данной системе. Переходы через критические точки происходят самоорганизо-ванно, если внешние условия воздействия не повлияли на последовательность возможных переходов в смене процессов эволюции. Поэтому к одному и тому же способу эволюции можно многократно возвращаться в результате изменения условий подвода энергии к системе, тем самым, управляя поведением системы, не давая ей возможности достичь предельного состояния, за которым она теряет свою устойчивость в связи с утратой способности сопротивляться внешнему воздействию.

Модифицирование поверхностных слоёв позволяет в значительной степени изменить процесс самоорганизации металла при накоплении повреждений в поверхностном слое, не только ускоряя или замедляя этот процесс, но и влияя на расположение зоны зарождения трещины на или под поверхностью. Фактически возникает новое направление в физике металлов, связанное с исследованием поведения металла после модификации поверхностного слоя в области его неустойчивости - вокруг точки бифуркации, которая отвечает ранее введённому представлению о «пределе усталости» металла.

Нелинейный процесс накопления повреждений, развитая пространственная структура модифицированного поверхностного слоя, а также формируемая в процессе роста трещины морфология рельефа излома - отражают процессы самоорганизации металла на разных масштабных уровнях, как открытой системы. Формируемые самоподобные объекты - структурные элементы, элементы рельефа излома отражают нелинейность процессов эволюции, реализуемых металлом в процессе его эволюции под действием циклической нагрузки.

В связи с этим возникла необходимость ввести для описания поведения металла не только масштабную иерархию процессов эволюции, но использовать нелинейную параметризацию формируемых структур в процессе эволюции на основе фрактального анализа. Многомасштабность одновременно протекающих процессов эволюции металла приводит к необходимости мультифрактальной параметризации всей анализируемой структуры. Рассматривая масштабные уровни эволюции, и вводя границы масштабов по тем или иным критериям, оказалось возможным, например, характеризовать различия в процессах накопления повреждений и разрушения при формировании очага разрушения в разных областях усталости - МНЦУ или СВМУ. Оказалось возможным более детально проводить параметризацию изломов и разделять по стадиям процессы эволюции металла.

Возникновение повреждений материала в зонах номинально неподвижных соединений является частным случаем модифицирования поверхностных слоев, которое реализуется в процессе эксплуатации авиационных конструкций. Возрастающие уровни напряжения и сроки эксплуатации определяют необходимость изучения процесса накопления повреждений в результате возникновения фрет-тинг-коррозии, как процесса инициирующего возникновение усталостных трещин. Вместе с тем, как показывает практика, этап развития трещин оказывается не свободным от влияния фреттинга. С одной стороны, это связано с тем, что продукты локального повреждения проникают в трещину и способствуют контактному взаимодействию её берегов. С другой стороны, наличие контактирующих деталей создаёт сложное напряжённое состояние в объемах металла, прилегающих к зоне контакта. В них реализуется первоначальное распространение трещины в условиях одновременно реализуемого растяжения и сдвига материала. Сама зона накопления повреждений оказывается замкнутой по отношению к внешней среде. Удаление вершины трещины из зоны контакта сопровождается изменением напряжённого состояния в направлении развития разрушения, что требует введения нелинейных поправок в описании кинетики усталостных трещин.

Наличие упрочняющей дробеструйной обработки (ДО) поверхности приводит к возникновению усталостной трещины под поверхностью не только в области СВМУ, но и в области МНЦУ [23-27]. Металл становится частично замкнутой системой, в которой распространение трещины реализуется длительное время без выхода на поверхность. Возникновение контактных напряжений по упрочнённой поверхности создаёт предпосылки для изменения условий зарождения трещины. Сохранение условий частичной замкнутости металла по отношению к окружающей среде в зоне контакта, где зарождается трещина, оказывается промежуточной ситуацией, когда накопление повреждений альтернативно может иметь место, как с поверхности, так и под поверхностью металла.

Использование нового технологического процесса модифицирования поверхностных слоёв металла в виде его лазерного упрочнения приводит к изменению распределения остаточных напряжений в поверхностном слое металла по сравнению с дробеструйным упрочнением поверхности [28-29]. При разном распределении остаточных напряжений, разной интенсивности агрессивного воздействия окружающей среды в модифицированном слое долговечность образцов может существенно отличаться при одном и том же уровне циклического нагружения [30-31].

Таким образом, возникла необходимость разработки математических моделей, в том числе и на основе представлений о фрактальной структуре геометрических и физических объектов [32-38], для анализа процессов разномасштабной самоорганизации открытых систем, к которым относится металл с распространяющейся в нём усталостной трещиной.

В представленной работе, исследуется физика протекания процессов зарождения и роста усталостной трещины в сложных условиях взаимодействия внешней среды с материалом с модифицированным поверхностным слоем. Была поставлена задача, обнаружить и исследовать, в том числе используя методику, основанную на фрактальном анализе [34,39-40], те факторы, которые оказывали решающие значение на поведения материала. Выполненные испытания по малому количеству образцов не позволяют выдвигать «глобальные» формулы, описывающие поведение материала под воздействием столь сложных влияний состояния материала и внешних условий нагружения материала на распространение усталостной трещины. Однако удалось при комплексном исследовании выявить физику процессов протекающих в материале при данных условиях и разработать комплекс программ и методические приемы, позволяющие получить фрактально

- кинетические характеристики процесса усталостного разрушения.

В связи с изложенным была сформулирована следующая цель работы. Цель работы - разработка математической модели фрактальной параметризации рельефа с учётом масштабной иерархии процессов самоорганизации усталостного разрушения и исследование на её основе роли модифицированных слоёв в усталостной прочности сплавов 2024-Т351, BS L65 и ЭИ-698 соответственно после лазерного, дробеструйного упрочнения с фреттинговыми повреждениями, и с электроискровыми повреждениями.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие основные задачи:

- разработать методику определения фрактальных характеристик рельефа усталостного излома материалов, проводя селекцию информации по масштабным уровням;

- разработать комплекс программ, для получения фрактально-кинетических характеристик усталостного разрушения;

- провести исследование влияния лазерного упрочнения поверхности алюминиевого сплава 2024-Т351 на его фрактальные и усталостные характеристики;

- изучить фрактальные характеристики очагов фреттинговых повреждений поверхности после дробеструйной модификации поверхностных слоёв алюминиевого сплава BS L65 и выявить роль повреждений в зарождении и распространении усталостных трещин;

- на основе синергетического анализа определить поправочные функции для математического моделирования распространения усталостных трещин в сплавах 2024-Т351, BS L65 и ЭИ-698 с модифицированными слоями;

- определить влияние модифицирования поверхности деталей из жаропрочного сплава ЭИ698 после электроэрозионного разряда на их усталостную прочность.

Научная новизна работы.

Разработаны математическая модель и методика фрактальной и фрактально-спектральной параметризации рельефа изломов, позволяющая выявлять масштабный уровень доминирующего механизма разрушения металла. Разработан комплекс программ, позволяющий повысить достоверность оценки кинетических параметров роста усталостных трещин. Выявлен самоорганизованный переход в зарождении усталостных трещин в сплаве 2024-Т351 после лазерного упрочнения и предложен критерий разделения усталостных кривых в области бифуркационного перехода от многоцикловой усталости, когда очаг усталостной трещины находится на поверхности образца к сверхмногоцикловой усталости, где очаг располагается под поверхностью, основанный на математико-фрактальной параметризации очагов разрушения. Показана зависимость фрактальных характеристик очагов усталостного разрушения алюминиевого сплава BS L65 от доминирующего механизма фреттингового повреждения поверхности в условиях сложного напряжённого состояния материала. t

Научная и практическая значимость.

Разработаны математическая модель и методика фрактальной параметризации рельефа поверхности разрушения с учётом масштабной иерархии процессов роста трещин.

Методика фрактальной параметризации рельефа излома внедрена в Госцентре безопасности полётов при проведении исследований причин отказов объектов авиационной техники и в учебном процессе «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете им. К.Э.Циолковского.

Установлены кинетические закономерности разрушения сплавов 2024-Т351, BS L65 и ЭИ-698 соответственно после лазерного, дробеструйного упрочнения с фреттинговыми повреждениями, и с электроискровыми повреждениями. На основе синергетического анализа и математического моделирования роста трещин определены поправочные функции в расчёте эквивалентного коэффициента интенсивности напряжений, описывающие влияние модифицированных слоёв на распространение усталостных трещин в сплавах 2024-Т351, BS L65 и ЭИ-698. Предложена формула поправочной функции для упрочненного алюминиевого сплава BS L65 при усталостном испытании с нанесением фреттинговых повреждений.

Полученные соотношения между периодом роста усталостной трещины и долговечностью образцов при различных условиях модифицирования поверхностных слоёв могут быть использованы для разработки метода диагностики усталостного разрушения элементов конструкций. Результаты фрактографического исследования сплава ЭИ-698 позволили обеспечить принцип безопасной эксплуатации дисков и дефлекторов турбин двигателя НК8-2у с нанесёнными на них электроэрозионными повреждениями.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Математическая модель и методика получения общей фрактальной размерности и спектра фрактальных размерностей по двум взаимно перпендикулярным направлениям участка анализируемого излома.

2. Комплекс программ и методические приемы, позволяющие получить фрактально - кинетические характеристики процесса усталостного разрушения.

3. Фрактальные, фрактографические и кинетические характеристики усталостных разрушений сплавов BS L65, 2024-Т351 и ЭИ-698 с фреттинговыми повреждениями по дробеструйно упрочнённой и не упрочнённой поверхности, по упрочнённой лазером поверхности и после повреждения от электроискрового разряда.

4. Поправочные функции в расчёте эквивалентного коэффициента интенсивности напряжений, описывающие влияние модифицированных слоёв на распространение усталостных трещин в сплавах 2024-Т351, BS L65 и ЭИ-698.

5. Закономерности влияния электроэрозионных повреждений на безопасную эксплуатацию турбинных дисков и дефлекторов двигателя НК-8-2у.

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА СТРУКТУР И ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ ПОВЕРХНОСТНЫМИ СЛОЯМИ.

Развитие математических методов в описании геометрических объектов, а также анализ физических явлений на основе современных подходов синергетики выдвинули на первый план проблему формирования алгоритмов программ по отысканию самоподобных объектов вне рамок Евклидовой геометрии. Необходимость выделения самоподобных объектов, формирование которых в пространстве и времени может быть осуществлено единообразно, связана с представлениями об эволюции открытых систем, как самоорганизующихся по определённым законам при достижении некоторых критических условий [1-4]. Показано, что существуют алгоритмы развития живой и не живой природы, которые имеют фундаментальный смысл и характеризуют изменчивость объектов на разных масштабных уровнях.

Модифицирование поверхностного слоя металла меняет его свойство самоорганизованно диссипировать энергию под действием циклической нагрузки и влияет на разно масштабную организацию процессов эволюции, которые ему присущи без модификации. Зарождающееся разрушение металла в его модифицированном слое будет отражаться через реализуемые механизмы в формируемой морфологии рельефа поверхности разрушения многообразием параметров, которые в той или иной мере будут характеризовать влияние модифицирования на механизмы самоорганизации и их масштабную иерархию. В результате этого возникает необходимость использования всё более совершенных методов параметризации анализируемого рельефа, который сформирован на разных масштабных уровнях протекающих процессов разрушения, и выделять на этой основе ведущие механизмы самоорганизации.

Одним из таких новых математических методов является фрактальный анализ морфологии поверхности, отражающей протекание того или иного физического явления на рассматриваемом масштабном уровне самоорганизации. За последнее время в России проведено несколько международных конференций, посвященных изучению фракталов, их сложности, принципам анализа и алгоритмам обработки получаемой информации [1-4]. Нарастание интереса к области фрактальной параметризации структур свидетельствует о необходимости внедрения этого метода в изучение физики разрушения металла.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Артамонов, Максим Анатольевич

выводы

1. Разработана математическая модель и на её основе создана методика фрактального анализа поверхностей изломов, которая позволяет проводить интегральную и спектральную параметризацию элементов рельефа путём выделения ведущих механизмов самоорганизации на разных масштабных уровнях эволюции поведения металла как открытой синергетической системы с учётом эффекта самоафинности развивающегося процесса разрушения.

2. Разработан комплекс программ и усовершенствованы методические приемы математического моделирования развития усталостного разрушения авиационных материалов с модифицированными поверхностными слоями.

3. На основе созданной методики математического моделирования фрактальных объектов и разработанной программы фрактальной параметризации рельефа получены фрактальные характеристики изломов алюминиевого сплава 2024-Т351 (аналог Д16Т) с модифицированным поверхностным слоем в результате лазерного упрочнения. Показано, что самоорганизованный переход от зарождения трещины с поверхности под поверхность происходит в связи со сменой масштабного уровня протекания процессов пластической деформации - при зарождении трещины под поверхностью интервал фрактальных размерностей отвечает максимальной локализации процесса пластической деформации при формировании очага разрушения.

4. Предложена бифуркационная диаграмма усталостного разрушения сплава 2024-Т351 (аналог Д16Т) упрочнённого с поверхности лазерными импульсами. Выявлено, что при исследованных режимах модификации поверхностного слоя, необходимо описывать поведение материала двумя усталостными кривыми, которые претерпевают разрыв в бифуркационной области, отвечающей интервалу напряжений 270-295МПа. Самоорганизация в поведении материала в области бифуркации связана со сменой механизма зарождения трещины в образце - на поверхности при напряжениях более 295МПа, и под поверхностью при напряжении ниже 270МПа. В области бифуркации реализуются оба указанных механизма зарождения трещины.

5. Модификация поверхности алюминиевого сплава 2024-Т351 путём лазерного упрочнения оказывает принципиальное влияние на период зарождения трещин, увеличивая его, и в меньшей мере влияет на стадию роста трещин. Построены кинетические кривые роста трещин по результатам измерения шага усталостных бороздок и определены поправочные функции по влиянию лазерного упрочнения на период роста трещин на основе синерге-тического подхода в описании эволюции металла как открытой и частично замкнутой системы с использованием представлений о единой кинетической кривой и эквивалентном коэффициенте интенсивности напряжений.

6. Установлено, что формирование повреждения в виде фреттинга на поверхности образцов из алюминиевого сплава BS L65, подвергнутых дробеструйной обработке с последующим выглаживанием поверхности и без неё, при разном давлении контактирующего тела оказывает немонотонное, комплексное воздействие на накопление материалом повреждений на стадии зарождения и распространения трещины. На основе разработанной методики фрактального анализа рельефа излома показано, что по мере увеличения скорости распространения усталостной трещины поверхность имеет самоподобную структуру и по мере продвижения трещины её масштабный уровень самоорганизации повышается.

7. На основе фрактографических исследований построены кинетические кривые роста усталостных трещин и определена живучесть образцов в зависимости от интенсивности протекания процесса фреттинга по мере увеличения давления накладки на образец. Показано, что состояние поверхности упрочнённого образца с разной шероховатостью противоположным образом влияет на закономерность изменения живучести с возрастанием давления накладки в зоне фреттинга. Шероховатой поверхности соответствует максимум живучести, а гладкой поверхности минимум живучести в районе давления накладки 40-60МПа.

8. Установлено, что относительная живучесть образцов при разной долговечности и разном состоянии поверхности для разных давлений накладки в зоне фреттинга описывается единой кривой относительно долговечности. Этот факт свидетельствует о том, что доминирующая роль в накоплении материалом повреждений при фреттинге принадлежит периоду зарождения трещины. Полученные соотношения могут быть использованы для разработки метода диагностики усталостного разрушения элементов конструкций, когда после их разрушения определяется период роста трещины на основе фрактографического анализа, а далее, по выявленным зависимостям, определяется долговечность детали или уровень интенсивности давления в зоне сопряжения деталей при фреттинге.

9. Экспериментально доказано, что нанесение электроэрозионных повреждений на поверхность дисков и дефлекторов из жаропрочного сплава ЭИ698 не снижает их усталостной прочности в условиях эксплуатации. На основе фрактальной параметризации рельефа излома показано, что в зоне наносимых повреждений локализация пластической деформации обеспечивает масштабный уровень высоко энергоёмкого процесса разрушения, вызывая длительный период накопления циклических повреждений до зарождения трещины. Полученные результаты позволили обеспечить принцип безопасной эксплуатации дисков и дефлекторов турбин двигателя НК8-2у с нанесёнными на них электроэрозионными повреждениями и исключить дополнительные затраты на сокращение существующих межремонтных сроков для указанных двигателей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Артамонов, Максим Анатольевич, 2006 год

1. Сопротивление усталости - основные термины и определения. Гост 23207-78, 1981, М.: Стандарты, 47с.

2. Одинг И. А., Степанов В. Н. // «Доклады Академии Наук СССР, физика», т. 156, 1964, с. 1333.

3. Папшев Д.Д. Отделочно упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. // Машиностроение 1978.

4. И.А.Биргер. Остаточные напряжения. I/ Машгиз, Москва 1963г.

5. Кудрявцев И. В., Кудрявцев П. И. Поверхностный наклеп как способ повышения сопротивления малоцикловой усталости деталей машин. II «Проблемы прочности», 1972, Л"° 4, с. 81—83.

6. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. II Издательство «Машиностроение», 304 стр. 1992 г.

7. Подзей А.В., Сулима А. М., Евстигнеев М. И.,. Серебренников Г.3.Технологические остаточные напряжения. IIM., «Машиностроение», 1973, с. 216.

8. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. II «Машиностроение», 1978г. 184с.

9. Николе, Г., Пригожин, И. Самоорганизация в неравновесных системах. II М.: Мир, 1979.

10. Пригожин И. Введение в термодинамику неравновесных процессов!I М. :Мир, 1964г.

11. П.Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. II М.: Металлургия, 1975.

12. Хаген Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к слоэ!Сным система.!! Издптельство «Мир», 1991г. 240с.

13. Sakai Т. and Ochi Y. (Eds) Very High Cycle Fatigue, // Proc. Third Intern Conf VHCF-3, September 16-19, 2004, Ritsumeikan University, Kusatsu, Japan, 2004, 690p.

14. Bathias С. and Paris P.C. Gigacycle fatigue in mechanical practice, // Marcel Dekker, NY, USA, 2005, 305c.

15. Рыбин, B.B. Большие пластические деформации и разрушение металлов. //М.: Металлургия, 1986.

16. Владимиров, В.И. Физическая природа разрушения металлов. // М.: Металлургия, 1984.

17. П.Лихачев, В.А., Панин, В.Е., Засимчук, Е.Э., Владимиров, В.И. и др. // В кн.: Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации. Киев, Наукова Думка, 1989, С. 101-140

18. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. И Уфа: «Монография», 2003, 800с

19. Panin, V.E. (Ed.) Physical mesomechanics of heterogeneous media and computer-aided design of materials. II Cambrige, 1988.

20. Панин В.E., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. II Новосибирск: Наука, 1985.

21. Радченко А.И., М.Кабесас А.Х. Полная диаграмма точек бифуркации процесса усталости алюминиевого сплава Д16. // Металлофизика и новейшие технологии. 1998, т.20, №5, С. 72-80

22. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. II Новосибирск: Наука, 1985.

23. Bathias C., Pelloux R.M.Fatigue crack propagation in martensitic and austen-itic steels. II Metall. Trans., v.4A, 1973, pp. 1265-1273.

24. Paris, P.C. The fracture mechanics approach to fatigue. Fatigue an interdisciplinary approach. II Syracuse, University Press. 1964

25. Stanzl-Tschegg S., Mayer H. (eds). Fatigue in Very High Cycle Regime II Proc. 2nd Intern. Conf. VHCF, BOKU University of Agricultural Science pub., Vienna, Austria, 2001,320р.

26. Blom, A.F. // AGARD R-765, 1990, pp.6.1-6.15.

27. Askar yan CA, Moroz EM. Pressure on evaporation of matter in a radiation beam.// Journal of Experimental and Theoretical Physics Utters 1963:16:1638-44.

28. Yang LC. Stress waves generated in thin metallic films by a Q-switched ruby laser Л Journal of Applied Physics 1974;45:2601-7.

29. Mandelbrot B.B. The fractal geometry of nature. II New York: Freeman, 1983.

30. Иванова B.C., Баланкин A.C., Бунин И.Ж., Оксогоев A.A. Синергетика и фракталы в материаловедении. //Москва 1994г. 383с.

31. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Введение в мультифракталь-ную параметризацию структур материалов. Москва // Ижевск, 2001г. 115с.

32. Гольштейн Р.В., Мосолов А.Б. // ДАН СССР, 1991, т.314(4), С.840-844

33. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации: Топология выборки. М.: Университетская книга, 2005, 848 стр.

34. Feder, J. Fractals. II Plenum Press, New York, 1988

35. Международный междисциплинарный симпозиум ФиПС-01. Фракталы и прикладная синергетика II Труды докладов конференции. Москва 2003 г

36. Фракталы в физике. II Труды 6 симпозиума по фракт. в физ. (МЦТФ, Триест, Италия, 9-12 июля, 1985), 1988г.

37. Прикладная синергетика //(под ред.: Матвеев и т.д.)- Труды Международной научно-технической конференции, Уфа, т. 1,2, 2004.

38. Международный междисциплинарный симпозиум ФиПС-01. Фракталы и прикладная синергетика II Труды докладов конференции. Москва 2005 г

39. Mandelbrot В.В. The fractal geometry of nature. II New York: Freeman, 1983.

40. Иванова B.C., Баланкин A.C., Бунин И.Ж., Оксогоев A.A. Синергетика и фракталы в материаловедении. II Москва 1994г. 383с.

41. Мосолов, А.Б. //ЖТФ, 1991, т.61( 7), С.57-60.8 . Голыптейн Р.В., Мосолов А.Б. //ДАН СССР, 1991, т.314(4), С.840-844

42. Giona M., Piccirilli P., Cimagalli V. Multifractal analysis of chaotic power spectra. //J.Phys.A, 1991, 24, N1, pp.367-373.

43. Godreche C., Luck J. Multifractal analysis in reciprocal space and the nature of Fourier transform of self-similar structures. II J.Phys.A: Math.Gen., 1990, 23, N10, pp.3769-3797.7

44. Salejda W. Numerical studies of the vibrational spectrum of Fibonacci chain: A multifractal analysis. II Int.J.Mod.Phys.,B, 1991, 5, N5, pp.825-841

45. Шустер Г. Детерминированный хаос. IIМ.: Мир, 1988.

46. Паркер Т.С., Чжуа JI.O. Введение в теорию хаотических систем для инженеров. //ТИИЭР, 1987, 75, №8, С.6-40.

47. Halsey Т.С., Jensen М.Н., Kadanoff L.P., Procaccia I., Shraiman B.I. Fractal measures and their singularities: The characterization of strange sets. II Phys.Rev.A, 1986, 33, N2, pp.1141-1151.

48. Mandelbrot В.В. Passoja D.E., Pullax A.J. // Nature, 1984, Vol. 308, pp.721722.

49. Krupin Yu.A., Kiselev I.K. // Scr. Met., 1991, Vol.25, №3, pp.655-658.

50. Pande C.S., Richards L.E., Louat N. et al. // Acta met., 1987, Vol. 35, №7, pp.1633-1637

51. Underwood E.F., Banerji K. //Mater. Sci. Eng., 1986, Vol.80, №1. pp. 1-14

52. Wright K., Karlsson B. //J. Microscopy, 1983, Vol. 129, pp.185—200.

53. Dubuc В., Quiniou J.F., Rogues-Cannes C. et al. // Phys. Rev. A, 1989, Vol, 39, №3, pp. 1500—1520.

54. Kleiser Т., Bosek M. // Ztschr. Metallk, 1986, Bd. 77, № 9, pp.582—587.

55. Gobel I.R. // Ibid. 1991. Bd. 82, N 11, pp.858—868. Ш 26. Tanaka M., Lnuka H. // Ibid, № 6, pp.442^147.

56. Ishikawa К. I J. // Mater. Sci. Lett. 1990, № 9, pp. 400^102.

57. Sprusil В., Huilica F. Czechosl. J. // Phis. B. 1985. Vol.35, pp. 897-900.

58. Lung. C.W., Mu Z.Q. Phus.//Rev. B. 1988,Vol.38, № 16, pp.11781-11784

59. Mu Z.Q., Lung C.W. // Theor. and Appl. Fract. Mech. 1992, Vol.17, pp. 157-• 161.

60. Мосолов А.Б. // ЖТФ. 1991, Т. 61, № 7, С. 57—60.

61. Tzschichholz F., PfuffM. // GKSS. Forschungszentrum, 1991, Bd. 54, pp.5— 14.

62. M.A. Елизаветин. Упрочнение поверхности деталей машин, II Справочник машиностроителя, Том 5 книга II, Москва, 1964

63. М.М. Саверин Дробеструйный наклеп. Теоретические основы и практика g применения. //Машгиз, 1955г.

64. Гринченко И. Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. IIМ., «Машиностроение», 1971, 120с.

65. Кудрявцев И. В., Кудрявцев П. И. Поверхностный наклеп как способ повышения сопротивления малоцикловой усталости деталей машин. // «Проблемы прочности», 1972, Л"° 4, с. 81—83.

66. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надеэ/сности деталей машин. II Издательство «Машиностроение», 304 стр. 1992 г.

67. Charles S. Montross, Tao Wei, Lin Ye, Graham Clark, Yiu-Wing Ma. Laser shock processing and its effects on microstructure and properties of metal alloys: a review И International Journal of Fatigue 24 (2002) 1021-1036.

68. Bergstrom RP. Laser shock processing. //Production 1993:105:49-51.

69. Clauer AH. Laser shock peening for fatigue resistance. //In: Gregory JK, Rack HJ, Eylon D, editors. Surface performance of titanium.il Warrendale (PA): TMS: 1996. p. 217-300.

70. Askar yan С A, Moroz EM. Pressure on evaporation of matter in a radiation beam.il Journal of Experimental and Theoretical Physics Utters 1963:16:1638-44.

71. Jung RG, Wilcox BA. Quantitative assessment of laser-induced Stress waves generated at confined surfaces.// Applied Physics Letters 1974:25:431-3.

72. Fabbro R, Fournicr J, Ballard P, Dcvaux D, Virmont J. Physical study of laser-produced plasma in confined geometry.// Journal of Applied Physics 1990;68:775-84. 11

73. O'Keefe JD, Skeen CH. Laser-induced stress-wave and impulse augmentation. //Applied Physics Letters 1972:21:464-6.24.45. Hoffman CO. Laser-target interactions.// Journal of Applied Phys ics 1974:45:2125-8.

74. Yang LC. Stress waves generated in thin metallic films by a Q-switched ruby laser.// Journal of Applied Physics 1974;45:2601-7.

75. Romain JP, Cottet F, Hallouin M, Fabbro R, Faral B, Pepin H. Laser shock experiments at pressures above 100 Mbar.H Physica 1986;139,140B:595-598.

76. Ling P, Wight CA. Laser-generated shock waves in thin films of energetic materials.// Journal of Applied Physics 1995:78:7022-5.

77. Montross CS, Florea V, Swain MV. Influence of coatings on subsurface mechanical .properties of laser peened 2011-T3 aluminum.// Journal of Materials Science 2001 ;36:1801-7.

78. Clauer AH. Laser shockpeeningfor fatigue resistance. //In: Gregory JK, Rack HJ, Eylon D, editors. Surface performance of titanium. Warrendale (PA): TMS: 1996. p. 217-301

79. Johnson JN, Rhode RW. Dynamic deformation twinning in shock loaded iron J'/ Journal of Applied Physics 1971;42:4171-82.

80. Grevey D, Maiffredy L, Vannes AB. Laser shock on a TRIP alloy: mechanical and metallurgical consequences.!I Journal of Materials Science I992;27:2110-6.

81. Ruschau JJ, John R, Thompson SR, Nicholas T. Fatigue crack nuclealion and growth rate behaviour of laser shock peoru'vl titanium.ll International Journal of Fatigue I999;2I:SI99-S2.

82. Clauer AH, Koucky JR. Laser shock processing increases the fatigue life of metal parts. //Materials and Processing 1991:6:3-2.

83. Chu JP, Rigsbee JM. Banas G, Lawrence FV, Elsayed-AH HE. Effects of laser-shock processing on the microstructure and surface mechanical properties of Had-field manganese steel //Metallurgical and Materials Transactions A 1995;26A: 1507-17.

84. Peyre P, Berthe L, Scherpereel X, Fabbro R. Laser-shock processing of aluminum coated 55C1 steel in water-confinement regime, characterization and application to high-cycle fatigue behavior.// Journal ofMaterials Science 1998:33:1421-9.

85. Montross CS. Florea V.// Unpublished work, Redstone Mining, Sydney (Australia): 1997.

86. Fabbro R, Peyre P, Berthe L, Sherpereel X. Physics and applications of laser-shock processing.// Journal of Laser Applications 1998:10:265-79.

87. Peyre P, Fabbro R. Merrien P, Lieurade HP. Laser shock processing of aluminum alloys. Application to high cycle fatigue behavior.// Materials Science and Engineering 1996: A210:102-1.V

88. Dane CB, Hackel LA, Daly J, Harrison J. Shot peening with lasers. // Advanced Materials and Processes 1998; 153:37-8.

89. Masse JE. Barrcau' G. Surface modification by laser induced shock waves. // Surface Engineering 1995:11:131-2.

90. Clauer AH. Walters CT. Ford SC. The effects of laser shock processing on the fatigue properties of -T3 aluminum. In: Lasers in materials processing. // Metals Park (OH): American Society for Metals; 1983. p. 7-22.

91. Dane CB, Hackcl LA, Daly J, Harrison J. Laser peening of metals—enabling laser technology. II Advanced Materials and Processes 1997;May:l.V-27. 64 Ashley S. Powerful laser means better peening. II Mechanical Engineering 1998;120:12.

92. Brown AS. A shocking way to strengthen metal. II In: Aerospace America. 1998. p. 21-3.

93. Banas G, Elsayed-Ali HE, Lawrence FV, Rigsbee JM. Laser shock-induced mechanical and microstructural modification of welded maraging steel. И Journal of Applied Physics 1990:67:2380-4.

94. Mannava S, McDaniel AE, Cowie WD. //US Patent 5,492,447; General Electric Company (Cincinnati, OH); 1996.

95. Mannava S, Ferrigno SJ.// US Patent 5,675,892; General Electric Company (Cincinnati, OH); 1997

96. Ferrigno SJ, Cowie WD, Mannava S.// US Patent 5,846,057; General Electric/Company (Cincinnati, OH); 1998.

97. Mannava S. // US Patent 5,756,965; General Electric Company (Cincinnati, OH); 1998.

98. Mannava S, McDaniel AE, Cowie WD. // US Patent 5,492,447; General Electric Company (Cincinnati, OH); 1996

99. Александров В. П. Исследование технологических характеристик электроэрозионной обработки жаропрочных материалов. И М., «Наука», 1964, 124 с.

100. Р.Б. Уоторхауз Фреттинг, коррозия., II «Машиностроение», 1976. стр.

101. Johnson К. L. // «Proc. R. Soc.», A, Vol. 230, 1955, р. 531

102. Warlow-Davies Е. J. Fretting corrosion and fatique strength: brief results of preliminary experiments. II Proc. Inst. Mech. Eng. 146, 32, 1941.

103. Один И. А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. II М., Машгиз, 1962.

104. Сервисен С. В. Прочность осей и валов в связи с напрессовкой деталей. II В сб.: «Исследования в области машинове дения». М., изд-во АН СССР, 1944.

105. Рябченко в А. В., МуравкинО. Н. Фреттинг-коррозия и защита металлов. IIМ., ЦБНТИ, 1957.

106. Peterson R. E., Wale., A. M. Trans. // ASME. 57 1 Appl. Mech, Al, 1935.

107. Field J. E. // N. E. L. Rep. No. 120, 1963.

108. Field J.E.,Waters D. M. // N. E. L. Rep. No. 275, 1967.

109. Scarlett N. A. Greases to prevent fretting corrosion. II Engineering. 25 March, 424, 1960.

110. Одинг И. А., Степанов В. H. // «Доклады Академии Наук СССР, физика», т. 156, 1964, с. 1333.

111. Corten Н. Т. Т. and А. М. // Report No. 88, University of Illinois.

112. Sachs G., Stefan P.//«Trans. ASM», Vol. 29,1941, p. 373.

113. Collins J. A. // «J. Eng, Ind.», Vol. 87, 1965, p. 298.

114. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. II Уфа: «Монография», 2003, 800с.

115. Ritchie, R.O. //Met. Scien., 1977, n.8/9, pp.381-397.

116. Fatigue and Fatigue Threshold. // Proc. Fatigue 3rd Int. Conf. (Eds. Ritchie, R.O., and Stark Jr., E.A.), Virginia, v. 1-2, 1987.

117. Fleck, N.A., Kang, K.J., and Ashby, M.F. // Acta Met. Mater., 1994, v.42(2), pp.365-381.

118. Rice, J.R. // Fatigue crack propagation. ASTM STP 415, ASTM, Philadelphia, 1967, pp.247-311.

119. Nott, J.F. Fundamentals of fracture mechanics. II Butterworth and Co., Ltd, London, 1973.

120. Paris, P.C. // In: The Trend in Engineering at the University of Washington, 1961, v.13, pp. 9-14.

121. Шанявский А.А., Григорьев B.M. // В сб: Синергетика и усталостное разрушение металлов (под ред. Ивановой, B.C.), М.: Наука, 1989, С.87-98.

122. В.П.Дьяконов. От теории к практике Вейвлеты, II Солон-Р, Москва 2002г. 448стр.

123. И.Добеши. Десять лекций по вейвлетам. // Пер. с англ. Е. В. Мищенко. Под ред. А.П, Петухова. М.: РХД, 2001.

124. К. Чуй. Введение в вейвлеты. II Пер. с англ, под ред. Я.М. Жилейкина. М.: Мир, 2001.

125. И.А.Биргер. Остаточные напряжения. II Машгиз, Москва 1963г.