Физик исследует причины жизни

11 ноября 2022 г.

Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса

«Усталость от пребывания» — это явление, которое может возникнуть в титановых сплавах, когда они находятся под нагрузкой, например, в диске вентилятора реактивного двигателя во время взлета. Этот своеобразный режим отказа может привести к появлению микроскопических трещин, которые резко сокращают срок службы компонента.

Считалось, что наиболее широко используемый титановый сплав, Ti-6Al-4V, не проявляет усталости при постоянном пребывании до инцидента с рейсом 066 Air France в 2017 году, когда у Airbus, следовавшего из Парижа в Лос-Анджелес, над Гренландией произошел отказ диска вентилятора, что привело к аварийной ситуации. посадка. Анализ этого инцидента и ряда других недавних проблем побудил Федеральное управление гражданской авиации и Агентство авиационной безопасности Европейского Союза координировать работу в аэрокосмической отрасли, чтобы определить коренные причины усталости во время простоя.

По мнению экспертов, металлы деформируются преимущественно за счет скольжения дислокаций — перемещения линейных дефектов в подлежащей кристаллической решетке. Исследователи считают, что усталость при выдержке может возникнуть, когда скольжение ограничивается узкими полосами, а не происходит более однородно в трех измерениях. Присутствие выделений интерметаллида Ti3Al нанометрового размера способствует образованию полос, особенно когда условия обработки позволяют обеспечить их дальнее упорядочение.

Ситуация становится рискованной, когда такое полосатое поведение происходит в смежной группе «мягких» ориентированных зерен, называемых «макрозоной», объяснили исследователи. Возникающая в результате концентрация деформации, где полоса встречается с «жестким» ориентированным зерном за пределами макрозоны, приводит к концентрации напряжений, инициирующих процесс растрескивания.

Еще больше усложняет ситуацию то, что сдвиг дислокаций происходит периодически в виде всплесков или «лавин», подобно тому, как небольшие сдвиги разломов могут инициировать более значительные землетрясения. Величина и частота этих лавин скольжения сильно влияют на возникновение усталости в режиме ожидания.

В недавнем исследовании, проведенном многонациональной командой, в которую вошли нынешние и бывшие ученые Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL), исследователи использовали синхротронное рентгеновское излучение для отслеживания дискретных лавинных событий скольжения в титане, находящемся под нагрузкой при комнатной температуре.

Команда Имперского колледжа Лондона предоставила образцы специально подготовленного сплава Ti–7Al, представляющего собой заменитель первичной фазы Ti-6Al-4V. Популяция двухточечных типов дефектов модулировалась по образцам: содержание межузельного кислорода и количество упорядоченных выделений Ti3Al.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что там, где Ti3Al демонстрирует упорядоченность, лавины скольжения более серьезны по величине связанного с ними напряжения. Напротив, увеличение количества интерстициального кислорода, по-видимому, снижает тяжесть лавин, способствуя более частым сходам небольших лавин.

«Эта работа предлагает новый, мезомасштабный взгляд на события прерывистой деформации (небольшие «всплески» пластического скольжения), лежащие в основе усталости при выдержке, в частности, на то, 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 усталости».

Бернье помог выполнить измерения с помощью рентгеновской дифракционной микроскопии высоких энергий на Корнеллском синхротронном источнике высоких энергий (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 выраженное влияние на скольжение, происходящее в базальных плоскостях кристаллической решетки.

Исследователи обнаружили, что этот механизм деформации становится легче активировать после первоначальной текучести, размягчения, которое, как известно, является предшественником накопления повреждений и разрушения в случаях усталости при выдержке. Среди ключевых выводов: более высокая концентрация межузельного кислорода снизила среднюю величину лавин базального скольжения, способствуя более частым событиям меньшей магнитуды.