ТЕМПЕРАТУРНА ЗАЛЕЖНІСТЬ МЕХАНІЗМІВ ЗАРОДЖЕННЯ ТРІЩИН У ПРОЦЕСІ ФРЕТИНГ-ВТОМИ В ТИТАНОВОМУ СПЛАВІ Ti-6Al-4V
DOI:
https://doi.org/10.30977/BUL.2219-5548.2025.111.0.95Ключові слова:
фретинг-втома, температура, Ti-6Al-4V, зародження тріщин, СЕМ, ЕДС, ІЧ-термографія, FEM/МСЕ, трибологія, довговічністьАнотація
Фретинг-втома є одним із найбільш небезпечних видів пошкоджень у високонаван- тажених елементах авіаційної та енергетичної техніки. У статті досліджено вплив темпе- ратури на початкові стадії зародження тріщин у титановому сплаві Ti-6Al-4V у діапазоні 20–450 °C. Застосовано експериментальні випробування, морфологічний аналіз поверхонь за допомогою СЕМ/ЕДС, контроль температурного поля мікротермопарами та інфрачервоною (ІЧ) термографією. Додатково виконано зв’язане термомеханічне чисельне моделювання ме- тодом скінченних елементів (FEM/МСЕ), що підтвердило просторову кореляцію між зонами пікових температур / еквівалентних напружень та місцями виникнення тріщин. Установлено: за кімнатної температури тріщини ініціюються переважно механічно; за ≈250 °C домінують оксидо-механічні (оксидо-пластичні) механізми з участю трибологічно трансформованих структур (TTS); за ≈450 °C спостерігаються ознаки інтеркристалічного зародження. Прак- тична цінність полягає в можливості прогнозування ресурсу деталей авіаційних і енергетич- них установок, оптимізації режимів експлуатації та застосуванні поверхневих зміцнювальних технологій і захисних покриттів.
Посилання
Nowell D., Dini D. Fretting fatigue: Recent developments and challenges. Proc. Inst. Mech. Eng. Part C: J. Eng. Tribol. 2016;230(8):1229– 1245. [in English]
Fouvry S., Berthier Y., Vincent L. The third body approach in tribology: friction–wear–debris inter- play. Wear. 2017;378–379:216–225. [in English]
Zhang Y., Li J., Wang Z., Sun Q. Elevated tem- perature fretting fatigue of Ti–6Al–4V: Role of oxide films. Mater. Sci. Eng. A. 2019;759:1–10. [in English]
Bai Q., Mokhles M., Sun L. Microstructural evolution of Ti–6Al–4V under fretting fatigue at different temperatures. Tribol. Int. 2019;137:470–479. [in English]
He X., Zhou Y., Li P. Role of surface morpho- logy evolution in high-temperature fretting wear. Tribol. Int. 2025;200:108896. [in English]
Xu Z., Chen Y., Zhou Q., et al. Friction and wear behaviours of Inconel 718 at different tempera- tures. Front. Mater. 2021;8:682315. [in English]
Moreno Rubio M., Vázquez J., Navarro C., Domínguez J. Crack growth behavior of Inconel 718 under fretting fatigue at room and elevated temperature. Theor. Appl. Fract. Mech. 2024;126:103880. [in English]
Shen Z., Li X., Wang T. Fretting fatigue perfor- mance for IN718 dovetail joint in VHCF regime. Int. J. Mech. Sci. 2025;242:108765. [in English]
Mokhles M., Bai Q., Sun L., et al. New insights on the deformation mechanism of fretting fatigue in Ti–6Al–4V. Acta Mater. 2025;272:120123. [in English]
Lefranc V., Fouvry S. Role of tribologically transformed structures in crack initiation of Ti alloys under fretting. Wear. 2019;426–427:1264– 1273. [in English]
Yue Z., Li J., Zhang Y. Oxide film rupture and crack initiation in fretting fatigue of Ti alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2021;799:140180. [in English]
Ding J., Leen S. B., McColl I. R. Finite element simulation and experimental validation of fretting fatigue. Wear. 2016;338–339:27–42. [in English]
Yue Z., Sun Q., Zhang Y. Fretting fatigue behaviour of titanium alloys: Influence of oxide film evolution. Tribol. Int. 2020;151:106504. [in English]
Ma W., Liu H., Zhou Y. Thermomechanical analysis of fretting fatigue crack initiation using energy-based models. Int. J. Fatigue. 2023;170:107566. [in English]
ASTM B348-13. Standard specification for titanium and titanium alloy bars and billets. West Consho- hocken, PA: ASTM International; 2013. [in English]
Li J., Wang Z., Sun Q. Infrared thermography and micro-thermocouple measurement of fretting contacts. Appl. Sci. 2022;12(7):3335. [in English]
Ding J., Leen S. B. Finite element modelling of fretting fatigue crack initiation including tem- perature effects. Int. J. Fatigue. 2020;135: 105556. [in English]
Zhang Y., Sun Q., Li J. Effect of temperature on tribological behaviour of titanium alloys. Tribol. Int. 2020;144:106137. [in English]
Bai Q., Mokhles M., Sun L. Oxidation-assisted cra- ck initiation in Ti–6Al–4V under fretting conditions. Mater. Sci. Eng. A. 2021;805:140556. [in English]
Moreno Rubio M., Vázquez J., Domínguez J. Deg- radation of IN718 under 450–500 °C fretting condi- tions. Int. J. Fatigue. 2022;156:106700. [in English]
Fouvry S., Kapsa Ph., Vincent L. Analysis of fret- ting wear response under gross slip and partial slip conditions. 2018;412–413:16–29. [in English]
McBride A., Leen S. B. Thermomechanical modelling of fretting fatigue crack initiation. Int.
J. Fatigue. 2017;97:99–113. [in English]
Zhang Z., Wang J., Sun Y. Temperature–friction– fatigue interactions in Ti–6Al–4V fretting. Tribol. Lett. 2023;71:88. [in English]
Wan H., Liu Y., Zhou H. Fretting fatigue beha- viour of titanium alloys under combined thermal– mechanical loading. Mater. Des. 2021;210: 110093. [in English]
Song J., Zhao Y., Li X. Multiscale modelling of fretting fatigue considering temperature effects. Eng. Fract. Mech. 2024;288:110248. [in English]
Sun Q., Zhang Y., Li J. Influence of oxide films on fretting crack initiation in Ti–6Al–4V. Tribol. Int. 2022;165:107281. [in English]
Wang X., He X., Zhou Y. FEM-based inves- tigation of thermally induced fretting fatigue in titanium alloys. Theor. Appl. Fract. Mech. 2025;130:104045. [in English]
Moreno Rubio M., Navarro C., Vázquez J. Crack initiation maps for Inconel 718 under fretting at elevated temperatures. Int. J. Fatigue. 2023;170:107580. [in English]
