«Усталость при выдержке» — это явление, которое может возникнуть в титановых сплавах, когда они находятся под нагрузкой, например, в диске вентилятора реактивного двигателя во время взлета. Этот специфический режим отказа может инициировать микроскопические трещины, которые резко сокращают срок службы компонента.
Считалось, что наиболее широко используемый титановый сплав, Ti-6Al-4V, не проявляет усталостной усталости до инцидента с рейсом 066 Air France в 2017 году, когда у самолета Airbus, следовавшего из Парижа в Лос-Анджелес, вышел из строя диск вентилятора над Гренландией, что вызвало чрезвычайную ситуацию. посадка. Анализ этого инцидента и нескольких других недавних опасений побудил Федеральное авиационное управление и Агентство по авиационной безопасности Европейского союза координировать работу в аэрокосмической отрасли , чтобы определить основные причины усталости.
По мнению специалистов, металлы деформируются преимущественно за счет скольжения дислокаций — движения линейных дефектов в основной кристаллической решетке. Исследователи считают, что остановочная усталость может возникнуть, когда скольжение ограничено узкими полосами, а не происходит более однородно в трех измерениях. Присутствие интерметаллических выделений Ti3Al нанометрового размера способствует образованию полос, особенно когда условия обработки допускают их дальнее упорядочение.
Все становится рискованным, когда такое полосатое поведение происходит в непрерывной группе «мягких» ориентированных зерен, называемой «макрозоной», объяснили исследователи. Результирующая концентрация деформации, где полоса встречается с «жестким» ориентированным зерном за пределами макрозоны, приводит к концентрации напряжений, инициируя процесс растрескивания.
Еще больше усложняет ситуацию то, что смещение дислокаций происходит периодически в виде всплесков или «лавин», подобно тому, как небольшие события сдвига разломов могут вызывать более сильные землетрясения. Величина и частота этих лавин со скольжением сильно влияют на возникновение усталостной усталости.
В недавнем исследовании, проведенном многонациональной группой, в которую вошли нынешние и бывшие ученые Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), исследователи использовали синхротронное рентгеновское излучение для отслеживания дискретных лавинных событий скольжения в титане, находящемся под нагрузкой при комнатной температуре.
Группа из Имперского колледжа Лондона предоставила образцы специально приготовленного сплава Ti-7Al, представляющего собой заменитель первичной фазы в Ti-6Al-4V. В образцах модулировались популяции типов двухточечных дефектов: межузельное содержание кислорода и количество упорядоченных выделений Ti3Al.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что там, где Ti3Al проявляет упорядоченность, лавины скольжения более серьезны по величине связанного напряжения. Напротив, увеличение количества внутритканевого кислорода, по-видимому, снижает тяжесть, способствуя более частым сходам небольших лавин.
«Эта работа предлагает новое, мезомасштабное представление о событиях прерывистой деформации (небольшие «всплески» пластического скольжения), лежащих в основе усталостной усталости, в частности, о том, как частота и величина этих событий зависят от содержания кислорода и легирования», — сказал соавтор и LLNL. физик Джоэл Бернье. «Эти данные могут помочь в обработке, чтобы избежать микроструктур, которые оказывают пагубное влияние на устойчивость к усталостной усталости».
Бернье помог выполнить высокоэнергетические измерения рентгеновской дифракционной микроскопии на источнике высокоэнергетического синхротрона Корнелла (CHESS) и выполнил обработку данных с использованием библиотеки программного обеспечения HEXRD, разработанной LLNL. Команда количественно оценила частоту и величину всплесков напряжений, возникающих в результате лавин скольжения, и обнаружила, что оба типа точечных дефектов оказывают заметное влияние на скольжение, происходящее на базисных плоскостях кристаллической решетки.
Исследователи обнаружили, что этот механизм деформации становится легче активировать после первоначальной текучести, размягчения, которое, как известно, является предшественником накопления повреждений и выхода из строя в случаях усталости. Среди основных выводов: более высокая концентрация междоузлий кислорода снизила среднюю величину базальных лавин, способствуя более частым событиям меньшей магнитуды.
Напротив, увеличение размера упорядоченных выделений Ti2Al за счет старения материала при повышенной температуре увеличивает как частоту, так и величину лавин скольжения, увеличивая вероятность образования трещин. По словам команды, эти результаты могут помочь оптимизировать обработку титановых сплавов для обеспечения сопротивления усталостной усталости.
