ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

СТАНДАРТ

РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Двигатели газотурбинные

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРЕДЕЛОВ ВЫНОСЛИВОСТИ ДЕТАЛЕЙ

Издание официальное

ц,„

М0СЖЖЖ

Сшщчш«ф1ЧИ

Предисловие

1    РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия» (ФГУП «СТАН-ДАРТИНФОРМ») и Федеральным государственным унитарным предприятием «Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова» (ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»)

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 323 «Авиационная техника»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 августа 2020 г. No 599-ст

4    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегод>юм (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в ин-формационной системе общего пользования — на официалыюм сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (wwyv.gost.ru)

© Стандартинформ. оформление. 2020

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии II

8.4 При кручении амплитуду предельных напряжений г_ад следует вычислять по формуле

*а.д ~ ^Т- 1д “ Vt tin'

где у_т изменяется в пределах от 0.05 до 0.10.

9 Требования к определению пределов выносливости деталей при сложном напряженном состоянии

9.1    Влияние сложного напряженного состояния на пределы выносливости деталей следует учитывать по результатам испытаний образцов с концентрацией напряжений при заданном соотношении составляющих цикла и заданной температуры.

9.2    Предел выносливости деталей при асимметричном цикле сложного напряженного состояния о_а(д. выраженный через интенсивность напряжений, вычисляют по формуле

⁽³³⁾

где о,_т — среднее напряжение цикла, выраженное через первое главное напряжение:

у.— коэффициент асимметрии цикла при сложном напряженном состоянии, вычисляемый по формуле

10 Требования к определению пределов ограниченной выносливости

10.1 Пределы ограниченной выносливости а_ы при продолжительности испытаний менее 2 10⁷ циклов следует вычислять исходя из представления кривой усталости в виде двух прямых отрезков, построенных в координатах Igo., - lgN и сходящихся в точке с координатами Iga^,. lgW_a.

Уравнения отрезков имеют следующий вид:

<*^mfN= const,;

=const ₂,

где m, и m₂ — показатели степеней отрезков кривой усталости.

Общий вид кривых усталости и значения параметров уравнения кривых усталости приведены в приложении Е.

10.2 Если второй отрезок кривой усталости не имеет наклона, т. е. т₂ г 100. то предел выносливости на базе более 2-107 циклов o_,_w вычисляют по формуле

Если кривая усталости не имеет перелома, т. е. гл, = т₂- т, то предел выносливости о._1л, вычисляют по формуле

Определение значений отношениякоэффициента чувствительности

к концентрации напряжений q_r, параметров материала а, у, а, продела прочности при температуре 20 °С и температуры Т_а с

Б.1 Значения отношения    при    =    2.0    и    параметра    а    для    различных    тилов    материалов    при    темпера

туре 20 "С приведены в таблице Б.1.

Таблица Б.1

Тип материала	-*г	Яа ПРИ °о ’ 2-°	а
Тита новью высокопрочные сплавы	0.40—0.55	0.85—1.00	0-0.15
Легированные конструкционные стали	0.40—0.50	0.60—0.80	025—0.65
Высокопрочные коррозионно-стойкие стали	0.45—0.55	0.80—1.00	0-0.25
Жаропрочные стали	0.30—0.45	0.60—0.80	025—0.65
Деформируемые жаропрочные никелевые сплавы	0.25—0.35	0.25-0.45	120—3.00
Литейные жаропрочные никелевые сплавы	0.15—0.20	0,15-0,35	1.85—5.65
Жаропрочные никелевые сплавы с направленной структурой	0,20—0.30	0,25—0.45*	1.20—3.00'
* Без термовакуумной обработки при температуре гомогенизации сплава.

Б.2 Значения предела прочности <т_в, параметра у и температуры Г_{о с} для различных типов материалов приведены в таблице Б.2.

Таблица Б.2

Тип материала о,МПа iKTcfMM2) г Ю4 Tot? •с Конструкционные, жаростойкие, жаропрочные стали 1000—1300 (100—130) о 3 о’ 550 Титановые сплавы 900—1300 (90—130) 0.3—1.0 Жаропрочные деформируемые сплавы на основе никеля 1000—1500 (100—150) 2.0—2.5 750.850 Жаропрочные литейные сплавы на основе никеля 900—1200 (90—120) 1.9—2.3 900

Б.З Значение параметра а для различных типов материалов приведено в таблице Б.З.

Таблица Б.З

Тип материала Значение параметра « при температуре. 'С 20 - 200 Конструкционные стали 1.0—1.2 1.3—1.5 Титановые сплавы 0.9—1.0 1.1—1.3 Никелевые сплавы 0.9—1.1 1.2—1.3 1.0—1.1 1.3—1.8 Никелевые литейные сплавы 0.9—1.0 1.3—1.5

Определение значений коэффициента чувствительности к концентрации напряжений q_r при повышенной температуре

В.1 Зависимость q_a от температуры для конструкционных сталей приведена на рисунке В.1.

Я*

1 - сталь ЗОХМ; 2 — сталь 40Г: 3 — сталь 2X13; 4 - сталь 40XHMA; S - сталь 10Г2

Рисунок В.1

В.2 Зависимость q_r or температуры для жаропрочных сплавов приведена на рисунке В.2. 9о

1 - сплав Сг — М - Со. 2 - сплав ХН70ВМТЮ; 3 - сплав ХН77ТЮРУ; 4 — никелевый сплав, отлитый методом направленной кристаллизации. 5 — литейный сплав ВЖЛ12У

Рисунок В.2

Определение значений коэффициентов влияния коррозии, шероховатости, упрочнения поверхности наклепом

Г.1 Зависимость коэффициента влияния коррозии $_тр от глубины коррозионного поражения приведена на рисунке Г.1.

Р*Ч>

I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I

-2 -1 0

Рисунок Г.1

Содержание

1    Область применения.................................................................1

2    Нормативные ссылки.................................................................1

3    Термины и определения..................................... 1

4    Технические требования........................,.....................................1

5    Требования к определению пределов выносливости по результатам натурных испытаний........2

6    Требования к определению пределов выносливости по данным испытания образцов

материала...........................................................................2

7    Требования к определению коэффициентов влияния масштабного фактора, концентрации

напряжений, качества поверхности ......................................................3

8    Требования к определению пределов выносливости деталей при асимметричном цикле.........7

9    Требования к определению пределов выносливости деталей при сложном напряженном

состоянии.........„..................................................................8

10 Требования к определению пределов ограниченной выносливости..........................8

11    Требования к определению пределов выносливости деталей при высокочастотных

колебаниях...........................................................................9

Приложение А (справочное) Примеры определения предела выносливости деталей

по результатам натурных испытаний, скорректированных по данным испытаний

образцов ..............................................................10

Приложение Б (рекомендуемое) Определение значений отношения коэффициента

чувствительности к концентрации напряжений q_a. параметров материала а, у, и,

предела прочности при температуре 20 °С и температуры Т_{о с}..................11

Приложение В (рекомендуемое) Определение значений коэффициента чувствительности

к концентрации напряжений    q„ при повышенной    температуре ..................13

Приложение Г (рекомендуемое) Определение значений коэффициентов влияния коррозии.

шероховатости, упрочнения    поверхности наклепом............................15

Приложение Д (справочное) Пример расчета предела выносливости при изгибе и кручении

вала турбины...........................................................18

Приложение Е (рекомендуемое) Общий вид кривых усталости и значения параметров

уравнений кривых усталости для различных типов материалов и при различных температурах...........................................................20

Г.З Зависимость коэффициента влияния упрочнения |1_>Т1р от температуры приведена на рисунке Г.З.

Ш-оСитя роликом; Х~    мжрошир|»М11;

О- гедроде6остру*«я рбрвбопга; □ - угътршвукоеня обработке

T — титановые сппааы;

2 — высокопрочные жаростойкие стали, образцы: a_e * 2.0. упрочнение обдувхой микрошариками; 3 — никелевые жаропрочные сплавы, образцы гладкие, упрочнение обдувкой дробью;

4 — жаропрочные сплавы, деформируемые и питейные а„ — 3.5 * 4.0

Рисунок Г.З

Поправка к ГОСТ Р 59001-2020 Двигатели газотурбинные. Методы расчота пределов выносливости деталей

В каком месте Напечатано Должно быть Библиографические данные УДК 006:354 УДК 621.433:620.178:006.354

(ИУС № 7 2021 г.)

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Двигатели газотурбинные МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРЕДЕЛОВ ВЫНОСЛИВОСТИ ДЕТАЛЕЙ

Gas turbine engines. Methods of calculating the endurance of details

Дата введения — 2021—01—01

1    Область применения

Настоящий стандарт устанавливает методы расчетно-экспериментального определения средних значений пределов выносливости деталей газотурбинных двигателей (далее — ГТД) и их элементов с учетом влияния эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов, таких как: повышенной температуры, асимметрии цикла, концентрации напряжений, базы испытания, абсолютных размеров поперечного сечения, частоты нагружения, состояния поверхности.

Настоящий стандарт не устанавливает методы расчета пределов выносливости паяных и сварных соединений и деталей.

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 25.504 Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости

ГОСТ 23207 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального органа по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3    Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины и определения по ГОСТ 23207 и ГОСТ 25.504.

4    Технические требования

4.1 Пределы выносливости деталей и их элементов определяют на базе:

-    2 10⁷ циклов для сталей и никелевых сплавов, и

-    10⁸ циклов для титановых, алюминиевых и прочих цветных металлов.

Издание официальное

4.2 При расчетной оценке влияния эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов используют зависимости и экспериментальные данные, соответствующие базе, приведенной в 5.1.

5    Требования к определению пределов выносливости по результатам натурных испытаний

5.1    Испытания деталей газотурбинного двигателя (ГТД) и их элементов с целью определения пределов выносливости следует проводить в условиях, наиболее полно имитирующих реальные условия работы.

5.2    Влияние факторов, не воспроизведенных при испытаниях деталей, должно быть учтено по результатам испытаний образцов, изготовленных из материала детали.

Испытания таких образцов необходимо проводить с одновременным воспроизведением следующих факторов:

-    асимметрии цикла и температуры;

-    асимметрии цикла, температуры и концентрации напряжений;

-    концентрации напряжений, температуры, шероховатости поверхности и упрочнения и т. д.

5.3    Пределы выносливости литых лопаток турбин при повышенных температурах необходимо определять по результатам натурных испытаний при заданной температуре.

5.4    Примеры определения предела выносливости деталей по результатам натурных испытаний, корректированных по данным испытаний образцов, приведены в приложении А.

6    Требования к определению пределов выносливости по данным испытания образцов материала

6.1 Предел выносливости деталей при изгибе и кручении при симметричном цикле и нормальной температуре о ,_1(? и т._1(? вычисляют по следующим формулам:

•■„Ра

(2)

где о., и т , — пределы выносливости материала детали, определенные при изгибе и кручении на стандартных гладких образцах при рабочей температуре детали.

£_а и е_т — коэффициенты влияния масштабного фактора при изгибе и кручении;

Р„ и р_т — коэффициенты влияния качества поверхности при изгибе и кручении;

К_яиК_т — эффективные коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и кручении.

6.2 Если размеры детали или заготовки допускают изготовление образцов, то необходимо определить <т_, и т., на этих образцах, прошедших полный цикл термической обработки детали. Если образцы изготавливают из заготовки другого вида, то термообработку производят по режиму, указанному в паспорте или сертификате на материал.

В этом случае пределы выносливости материала детали о., и т_, по формулам (1) и (2) будут равны:

-,3^7	(3)
ИЗ '	(4)
%

где о.-|з^ит-13 — пределы выносливости при изгибе и кручении, определенные экспериментально на образцах, изготовленных из заготовок другого типа:

<т_в. — предел прочности материала детали по нижней границе технических условий (ТУ) на ⁴ деталь;

о_оз — предел прочности заготовки для изготовления образцов.

Примечание — Здесь и далее значения механических свойств, параметров и коэффициентов являются средними, соответствующими вероятности разрушения Р = 0.5. за исключением тех случаев, когда даны интервалы указанных значений.

6.3 Для приближенной оценки пределов выносливости до получения экспериментальных значений а и т_и допускается определять пределы выносливости при изгибе о., по известным значениям и обобщенным данным отношения при температуре 20 X, где o_Bjy — предел прочности стандартного

гладкого образца при температуре 20 °С.

Определение значения отношения — — в соответствии с приложением Б.

<т_в

Пределы выносливости при растяжении—сжатии гладких образцов <т__1р и при кручении т_и в этом случае следует определять из соотношений:

о__1р = (0,75 - 0.85) о    (5)

т.,* (0,5-0.6) о..,.    (6)

6.4 Пределы выносливости при повышенной температуре следует определять по зависимости:

(7)

где у — параметр материала; Т — температура. X.

^Т* ^То,•

где Т_ос — температура отпуска для деталей ГТД из сталей и титановых сплавов или температура старения или отжига для деталей из жаропрочных сплавов на основе никеля. X.

Определение Г_ос и у— в соответствии с рекомендуемым приложением Б.

6.5 Если предел выносливости о., или определен на образцах или элементах детали с учетом влияния одного или одновременно нескольких факторов, как то; концентрации напряжений, концентрации напряжений и шероховатости поверхности, концентрации напряжений и масштабного фактора и т. д., то значения соответствующих коэффициентов в формулах (1) и (2) должны быть приравнены единице.

7 Требования к определению коэффициентов влияния масштабного фактора, концентрации напряжений, качества поверхности

7.1 Коэффициенты влияния масштабного фактора (абсолютных размеров поперечного сечения) при изгибе е„ и кручении с_т вычисляют по следующим формулам;

(9)

где а_, и t,, — пределы выносливости детали или гладкого образца с размерами поперечного сече-^А ния. равными размерам детали в опасном сечении.

Коэффициенты е₀ и £_t определяют экспериментально по результатам испытаний образцов или детали.

При отсутствии экспериментальных данных о влиянии масштабного фактора на предел выносливости образцов из материала детали значение коэффициента е.„ следует вычислять по формуле

£<,-£-+ (1-0* ^>£>.    (Ю)

о...

где е_ — нижняя граница снижения -7—- при увеличении размеров поперечного сечения. е_ = 0,4...0.6;

X —от 0.01 до 0.03. мм'¹;

D — диаметр образца, мм.

В том случае, если механические свойства заготовки детали контролируются по ТУ на деталь, то значение е_ — от 0.75 до 0.85.

Коэффициент влияния масштабного фактора при кручении с. принимают равным

7.2 Эффективные коэффициенты концентрации напряжений К_с и К. и вычисляют по следующим формулам.

(11)

к, =4-—•    (¹²>

•я-

пределы выносливости образцов или деталей с размерами поперечного сечения, равными размерам детали в опасном сечении, и с концентратором напряжений.

В этом случае в формулах (1) и (2) и f_T равны.

При отсутствии экспериментальных данных допускается вычислять эффективные коэффициенты концентрации напряжений К„ и K_t по следующим формулам:

к„ -QoK-¹)*¹:    (¹³>

к. ⁼ Q. («,-!)♦ 1.

где q_a и q_z — коэффициенты чувствительности к концентрации при изгибе и кручении; а„ и сц — теоретические коэффициенты концентрации.

Теоретические коэффициенты концентрации а_а и u_t вычисляют по следующим формулам:

a_t = -^.    (16)

МОУ

где о_гаах и т_тах — максимальные напряжения у поверхности концентратора напряжений при изгибе и кручении в опасном сечении детали; о_Н0М и т_иом — номинальные напряжения, определенные в том же сечении без учета концентрации напряжений.

7.2.1 Значение теоретических коэффициентов концентрации а_а и а. для концентраторов простых форм (отверстия, выточки, надрезы, галтели) определяют по ГОСТ 25.504 и по номограммам, графикам и зависимостям, приведенным в справочной литературе.

Для концентраторов сложных форм расчетное определение сц и a_z должно быть выполнено путем применения численных методов и электронно-вычислительных машин (ЭВМ) по программам рас-

7.2.2 Значения коэффициента чувствительности к концентрации при изгибе q„ для различных теоретических коэффициентов концентрации сх следует вычислять по формуле

о =(1 +а{« -1)Г\

где а — параметр материала.

7.2.3    Значение коэффициента чувствительности к концентрации при изгибе q_n для данного материала должно быть определено по результатам испытаний на усталость при заданной температуре партии образцов с концентратором напряжений, соответствующим концентрации напряжений детали.

7.2.4    При отсутствии экспериментальных данных коэффициент чувствительности к концентрации напряжений для данного типа материала и о„, равного 2,0. определяют в соответствии с приложением Б.

Если о₀ не равно 2,0, то значения q_r вычисляют по формуле (17); значение параметра а — в соответствии с приложением Б.

При выборе значения параметра а в пределах указанного интервала для каждого типа материала

в.,    Я.,

следует ориентироваться на данное отношение-^-: верхнему пределу -^соответствует нижняя граница интервала для параметра а.

7.2.5    Определение значений коэффициента чувствительности к концентрации напряжений q„ при повышенной температуре приведено в приложении В. При отсутствии экспериментальных данных применяют следующую зависимость:

% ⁼ %20-С ⁺ АЯ_а<

где Дq_o — от 0.2 до 0,4;

7.2.6 При отсутствии экспериментальных данных для следует принимать g₀ - q_z.

7.3 Коэффициент влияния качества поверхности Р_П вычисляют по формуле:

--S—•    (19)

гдед,—предел выносливости элементов детали или образцов с качеством поверхности, соответствующим качеству поверхности опасного сечения; д_и — предел выносливости элементов детали или образцов после механической обработки шлифованием со значением параметра шероховатости поверхности Ra = 0,16 + 0,32 мкм.

Предел выносливости д,_1й следует определять экспериментально на элементах детали с сохранением состояния поверхности в опасном сечении, характерного для технологии производства данной детали.

7.3.1 Влияние коррозии на предел выносливости учитывают путем введения коэффициента влияния коррозии Р_кор1 который вычисляют по формуле

Р*р4—    (20)

где д.,    —    предел    выносливости деталей или образцов, прошедших эксплуатацию в коррозионных

условиях или выдержанных в средах, имитирующих условия эксплуатации.

Коэффициент влияния коррозии {i_top должен быть найден экспериментально по данным испытаний деталей с характерным для эксплуатации коррозионным поражением.

При отсутствии экспериментальных данных допускается определение коэффициента влияния коррозии Р_кор в соответствии с приложением Г или по следующим формулам.

В,₀₀ = 0,055 - 0,6 1дЛ при h г 0,04 мм;

^р (21) P_top = 0.9 - 1,0    при    h    <    0.04    мм,

где h — глубина максимального коррозионного поражения в изломе деталей или образцов, испытанных на усталость при определении о._1кор, мм.

При отсутствии результатов данных испытаний на усталость значение h определяют исходя из соотношений;

h = 2.5или h = 1,4 Л_с    (22)

где — среднее значение глубины коррозионных поражений на шлифах в сечениях по местам скопления следов коррозии, мм;

Л_ — средняя максимально измеренная глубина коррозионного поражения в сечениях, мм.

^стах

Количество сечений в зоне наибольшего скопления следов коррозии должно быть не менее четырех.

Значение коэффициента влияния коррозии р_кор для коррозии под напряжением, наблюдаемой в конструкционных сталях с высоким уровнем остаточных напряжений, следует принимать равным

0.2 * 0.3.

Зависимость коэффициента влияния коррозии р_хор от температуры отпуска для конструкционных жаростойких и жаропрочных сталей приближенно следует определять исходя из условия:

(23)

— значения коэффициента влияния коррозии и предела прочности стали, термообработанной по режиму отпуска на пониженную чувствительность к коррозии.

7.3.2 Влияние шероховатости поверхности на предел выносливости учитывается путем введения коэффициента влияния шероховатости поверхности Р_ш, который вычисляют по формуле

«■«» Рш а | '

где о., — предел выносливости элементов детали или образцов с заданной шероховатостью поверх-^ш ности.

При отсутствии экспериментальных данных значения коэффициента влияния шероховатости поверхности р_ш вычисляют в соответствии с приложением Г.

7.3.3 Влияние упрочнения поверхности наклепом учитывают путем введения коэфффииента влияния упрочнения Р_упр, который вычисляют по формуле

Р>пр = -7Г7^'    ⁽²⁵⁾

где о .    — предел выносливости детали или ее элементов после операции упрочнения.

- 'упр

Значения коэффициента влияния упрочнения Р_уПр вычисляют экспериментально или в соответствии с приложением Г.

7.4 При повреждении упрочненной поверхности коррозией в формулах (1) и (2) следует прини-^мать Pynp ^{= lM}P ⁼ Pynp*PKop = [W

При повреждении коррозией поверхностей с различной шероховатостью следует принимать Р_ш = 1 и р = р_ш • р_кор = р_кор.