книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

возможность нагружения без потери устойчивости в режимах, соответствующих малой долговечности. Материал образцов—низколегированная углеродистая сталь.

Нерегулярное случайное нагружение осуществлялось в режиме слежения за деформациями в процессе испытаний. Среднее значение регулируемого параметра процесса во всех случаях нагружения задавалось равным нулю. Осциллограммы обрабатывали по методу экстремумов.

Результаты экспериментальной проверки гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений в деформационной трак­ товке подтвердили ее применимость при нерегулярном случайном нагружении. Суммарное повреждение оказалось в пределах 0 ,6 ...

1,5 (рис. 2.42).

Рис. 2.42. Накопление суммарного усталостного повреждения (а) при регулярном периодическом (темные точки) и нестационарном случайном (светлые точки) ма­ лоцикловых нагружениях (б)

Таким образом, для широкого диапазона условий нагружения [15, 49] суммарное повреждение, определенное в соответствии с уравнением (2.39) или (2.41), укладывается, как правило, в полосе разброса 0,5... 1,5. Это свидетельствует о возможности использова­ ния деформационно-кинетического критерия для расчета прочности при малоцикловом и длительном малоцикловом нагружении. Одна­ ко необходимо использовать результаты только корректно постав­ ленных экспериментов, обеспечивающих получение полной инфор­ мации о параметрах процесса деформирования и характере измене­ ния с числом циклов и -во времени нагрузок (напряжений), дефор­ маций и температур в зоне достижения предельногосостояния по условиям малоциклового разрушения, а также систему базовых данных и расчетных характеристик, необходимых для правильной оценки повреждений, -накопленных в ходе повторных нагружений.

Подчеркнем ряд методических особенностей проведения экспе­ риментов и обработки результатов. Выше было отмечено характер­ ное для малоцикловых испытаний отклонение на порядок экспери­ ментальных данных по числу циклов в малоцикловой области дол­ говечностей при жестком режиме нагружения от расчетной кривой усталости по уравнению (2.14) или (2.16). Несоответствие расчета является следствием непостоянства показателя степени т, а также отражает корреляцию характеристик сопротивления мал-оциклово- му разрушению материала со статическими свойствами. Расчетная долговечность, как правило, больше фактической, что приводит при оценке повреждений к занижению значений df. Так, при различии расчетной и фактической долговечности материала в 1 0 раз оцени-

101

ваемое значение df на стадии разрушения (появление трещины) оказывается равным 0 ,1 , в то время как фактическое d j= l .

Другим аналогичным примером, характеризующим влияние ошибок расчетного определения кривой малоцикловой усталости, является определение повреждений в области повышенных темпе-

(КоиЬые

'И-9)

10

1

ю"1

ратур. Один из приближенных способов выбора значения показате­ ля степени кривой усталости т для высокотемпературной области основан на предположении о возхможности использования констан­ ты, равной 0,5. На рис. 2.43, а приведены данные [15] для стали 15Х1М1ФА при жестком нагружении для нормальных температур (кривая 1) и 565е С (кривая 2). Для этой стали показатель в урав­ нении (2.16) т = 0,6. Использование значения т = 0,5 (распростра­ ненного для широкого круга конструкционных сталей и сплавов) дает усталостные повреждения 0,15...0,2 по сравнению с единицей при т = 0 ,6 .

102

Возможным аналитическим способом учета изменения в общем

Таким способом учитывают по мере роста числа циклов нагруже­ ния снижение деформационной способности материала, а также выявляют зависимость кривой длительной малоцикловой усталости от частоты нагружения (рис. 2.43, б).

Таким образом, для точной оценки накопленного усталостного повреждения следует использовать параметры фактической кривой усталости, полученной с учетом температурных, частотных и вре­ менных особенностей.

При оценке повреждений при длительном малоцикловом нагру­ жении в ряде случаев наблюдается большее повреждающее дейст­ вие выдержек при растяжении, чем при растяжении-сжатии или только сжатии. В таких случаях для каждой рассматриваемой ста­ ли или сплава при изучении закономерностей накопления длитель­ ных циклических повреждений необходимо определить влияние знака напряжений при выдержке в исследуемом интервале темпе­ ратур. Оценка повреждений для материалов и режимов нагруже­ ний с большим повреждающим эффектом выдержки того или иного знака должна производиться с использованием соответствующей базовой кривой усталости, отражающей снижение долговечности при наличии односторонней выдержки. Иначе возможна ошибка (расхождение в 5 раз и более) при оценке накопленного усталост­ ного повреждения.

Кроме того, важен правильный выбор значений располагаемой пластичности (деформационной способности) материала. Необходи­ мо использовать соответствующие корректно (с учетом рассмотрен­ ных выше методических особенностей) полученные данные. Опти­ мальным является привлечение результатов экспериментов, выполненных на материале одной плавки с сохранением основных методических подходов (тип испытания, образец, способ нагрева, методика измерения напрузок и температур, точность аппаратуры). При этом точность вычисления повреждений зависит от учета пли неучета изменения во времени располагаемой пластичности (рис. 2.44). Отмечается систематическое и значительное отклонение экспериментальных данных от расчетных, полученных по правилу линейного суммирования повреждений на основе фтах и ifw. Расчет с привлечением зависимости располагаемой пластичности от вре­ мени дает значения накопленного повреждения, близкие к единице (см. рис. 2.44).

Располагаемая пластичность материала, получаемая при испы­ таниях на длительную пластичность (ползучесть) или при стати­ ческом нагружении с широкой вариацией времен до разрушения, в общем случае не отражает влияния типа испытаний на зависимость расчетной характеристики от времени. Для интенсивно деформаци­ онно стареющих материалов отмечаются случаи интенсивного охрупчивания при испытаниях на ползучесть в переходной от внутризеренного к межзеренному разрушению зоне (в области мини-

103

малыши и максимальной пластичности различие отсутствует). Это приводит к несколько завышенным оценкам повреждения (рис. 2.45). Завышенная оценка повреждений может быть использована для получения данных, обеспечивающих повышенный запас дли­ тельной малоцикловой прочности.

для

1, 2 ,

6)

Приведенные выше данные по суммированию повреждений при длительном малоцикловом нагружении выполнены для деформаций без выделения составляющей ползучести на участке нагружения и

во время выдержек. В простейшем случае такое разделение можно выполнить с разложением деформации на упругопластическую или пластическую деформацию нагружения и деформацию ползучести при выдержке. Этим компонентам можно приписать «ответствен­ ность» за накопление материалом тех или иных повреждений. В частности, можно полагать, что доля усталостного повреждения зависит только от деформации нагружения, а доля длительного ста­ тического повреждения— от деформации ползучести. Эксперимен­ тальная проверка такого предположения ири различных режимах нагружения показала, что для режимов со значительными компо-

104

центами деформаций ползучести расчетное значение накопленного повреждения к моменту образования трещины составляет 0 , 1 ...0 ,2 , что исключает использование такого подхода при оценке длитель­ ной малоцикловой прочности. Это подтверждает, что накопление усталостных повреждений определяется суммарной циклической деформацией независимо от условий возникновения (активное на­ гружение, ползучесть и т. п.). Показательными являются результа­ ты испытаний образцов из стали 12Х18Н10Т при 650° С по режиму рис. 2.44, в. Нагружение по жесткому режиму е заданными значе­ ниями амплитуд циклических деформаций (©/2=0,51 %) состояло из стадии активного нагружения и стадии ползучести, причем в целях получения различных длительностей процесса напряжения на участке ползучести варьировались от образца к образцу. Не­ смотря на то, чтц время до разрушения трех испытанных образцов составляло 25, 32 и 153 ч, трещины в каждом случае появлялись (табл. 2 .4 ) лишь при усталостном повреждении, равном около еди­ ницы в соответствии с уравнением (2.41).

Т а б л и ц а 2.4

Экспериментальные данные подтверждают сделанный ранее вы­ вод о невозможности описания подобных результатов на основе зависимостей типа (2.29) ... (2.31). Как видно из табл. 2.4, расчет­ ные значения длительного статического повреждения во временной трактовке достигали 1,5... 4,5, однако разрушение определялось только критическими значениями усталостных повреждений. Последнее обусловлено отсутствием накопления односторонних де­ формаций в процессе циклического жесткого нагружения.

Из анализа методических особенностей обработки и интерпрета­ ции данных следует, что неучет основных параметров процесса деформирования, а также изменения механических свойств и рас-

105

четных характеристик может привести к отклонениям в оценке повреждений 0 , 1 ... 1 0 по сравнению с единицей.

Корректная интерпретация данных позволяет получить хорошее соответствие экспериментов и расчета в соответствии с деформаци­ онно-кинетическими критериями по уравнениям (2 .8 ), (2 .1 0 ) для весьма различных режимов нагружения, температур и сталей, обла­ дающих контрастными свойствами прщвысоких температурах (де­ формационно стареющих и нестареющих, циклически разупрочняющихся, а также упрочняющихся и стабилизирующихся).

Деформационно-кинетический критерий малоцикловой прочно­ сти при неизотермическом нагружении. Учитывая характерные осо­ бенности процессов циклического деформирования и разрушения при переменных температурах, перспективна деформационно-кине­ тическая трактовка условий достижения предельного состояния материала по возникновению макротрещины и для иеизотермического малоциклового нагружения. При этом интегрально учитыва­ ются основные закономерности малоциклового неизотермического деформирования в заданном диапазоне температур.

Основное критериальное уравнение при малоцикловом неизотер­ мическом нагружении можно записать в форме, подобной деформа­ ционно-кинетическому критерию (рис. 2.41) для случая постоянных температур:

(2.42)

в общем случае для «еизотермического нестационарного и, в част­ ности, мягкого и жесткого, в том числе и асимметричных режимов нагружения, а также для промежуточных между мягким и жестким характером нагружения с включением в цикл выдержек. При этом уравнение (2.42) описывает и условия термоусталостного разруше­ ния с учетом двух видов разрушений — квазистатического и уста­ лостного. Как правило, реализуется процесс деформирования с яв­ ной кинетикой односторонне накопленной и циклической деформа­ ций в заданном диапазоне температур [85].

Как и при изотермическом малоцикловом нагружении, при неизотермических условиях в соответствии с критериальным урав­ нением (2.42) выполняется линейное суммирование усталостных и квазистатнческих повреждений. Учитывается кинетика односто­ ронне накопленных и циклических деформаций по циклам и во вре­ мени, а также изменение механических свойств материала в про­ цессе неизотермического малоциклового деформирования за преде­ лами упругости.

106

Для оценки неизотермической малоцикловой прочности при раз­ личных (в общем случае произвольных) сочетаниях режимов на­ грева и нагружения, свойственных эксплуатации конструктивного элемента, необходим комплекс исходной информации: характерис­ тика параметров процесса циклического неизотермического дефор­ мирования в опасной зоне конструкции и в первую очередь кинети­ ка циклических и односторонне накопленных деформаций.

В общем случае при неизотермическом нагружении диапазон изменения температур может охватывать температуры, для кото­ рых зависимость располагаемой пластичности от времени оказыва­ ется выраженной, причем интенсивность процесса при максималь­ ных и минимальных температурах может быть существенно различ­ ной. В связи с этим в условиях неизотермичности располагаемая пластичность зависит от формы температурного цикла. Другой важной особенностью неизотермического нагружения является то, что характер поциклового изменения напряжений и деформаций, определяющих кинетику накопления усталостных и квазистатичееких повреждений, обусловлен реализующейся комбинацией про­ цессов нагружение — разгрузка и нагрев —охлаждение.

Для количественной оценки влияния неизотермичности нагру­ жения на процесс накопления малоцикловых и длительных стати­ ческих, квазистатических и усталостных повреждений требуются экспериментальные исследования. Необходимы прежде всего ис­ пытания на контрастных (мягкое и жесткое) режимах нагруже­ ния и нагрева, сопровождающихся синфазным и противофазным нагревом-охлаждением образца (рис. 2.46, а...г). Кроме того, тре­ буются испытания для определения располагаемой пластичности материала. Такие данные можно получить при монотонном стати­ ческом растяжении образца с варьируемой в широких пределах скоростью деформирования в условиях заданного температурного цикла (рис. 2.46, (3).

107

Для проверки пределов применимости на основе базовых экспе­ риментальных зависимостей необходимо выполнение испытаний при различных (произвольных) сочетаниях режимов нагрева и нагру­ жения. Наиболее полно требованиям, предъявляемым к испытани­ ям, соответствуют программные стенды со следящими системами нагружения и нагрева. Разработаны стенды для неизотермических испытаний на растяжение-сжатие усилием ± 105 Н и циклическое кручение с максимальным моментом'±250 Н-м. Точность поддер­ жания регулируемых параметров (нагружение, нагрев) составляет

± 1 % при скорости изменения программируемого параметра не бо­ лее 100%/мин от диапазона изменения параметра. Частоты цикли­ ческих нагружений и нагревов 1... 0,05 цикл/мин, точность протяж­ ки программы ±0,05%. В стендах применены системы слежения с обратными связями по нагрузкам (деформациям) и температу­ рам. 15].

Нагрев образцов при неизотермическом нагружении осущ ествляется пропуска­ нием тока. Д ля регулирования температурного цикла по заданным программам с получением достаточных скоростей процесса применено охлаж дение за счет теп­ лоотвода через охлаж даемы е водой токоподводящ ие шины.

иминимальным диаметром 10 мм.

Вусловиях неизотермических нагружений возникаю т вследствие наличия гра­ диентов температур термические напряжения. Расчет [16] с помощью М КЭ дает

для исключения дилатометрической составляю щ ей из сигнала деформометра. В ре­ зультате определяю тся механические деформации, на крупномасш табных двухко­ ординатных приборах фиксируется диаграм ма неизотермического деформирования материала.

Экспериментальное обоснование кретерия длительной малоцик­ ловой прочности при иеизотермическом нагружении выполнено [17] на примере жаропрочных сплавов 12Х18Н9Т, 15Х18Н12С4ТЮ, ХН60ВТ, обладающих контрастными свойствами прочности и плас­ тичности. Испытания проведены по режимам как неизотермического (рис. 2.46), так и изотермического нагружения. С учетом данных последних испытаний определяли особенности, связанные с пере­ менными температурами. Выбранные материалы оказались как де­ формационно стареющими, так и нестареющими. В случае дефор­ мационного старения длительная пластичность материала 12X18Н9Т на принятых в испытаниях временных базах уменьша­ лась значительно (с 60 до 25%).

При проведении базовых экспериментов по режимам, показан­ ным на рис. 2.46, а...г, выявлено значительное влияние способа сочетания цикла нагружения и нагрева. В условиях жесткого малоциклового нагружения обнаружено большее повреждение неизотер­ мически деформируемых образцов при режиме, когда максимальная деформация растяжения соответствовала максимальной температу-

108

ре цикла. В этих случаях разрушение при одних и тех же цикличе­ ских деформациях происходило в 4—5 раз быстрее.

Расчет суммарного повреждения для режимов (см. рис. 2.46, а...

...г) неизотермического нагружения [17] (в том числе при испытани­ ях, когда возможно накопление больших повреждений как устало­ стных, так и квазистатических, а также для режимов с максималь­ ным повреждающим эффектом) показывает удовлетворительное соответствие экспериментальных данных расчетным, полученным по деформационно-кинетическому критерию длительной малоцик­ ловой неизотерм^ческой прочности (рис. 2.47).

Особым случаем неизотермического малоциклового нагружения является термоусталостное. Для этого режима в высокотемператур­ ной области характерна значительная нестационарность процесса упругопластического деформирования, приводящая к накоплению односторонних деформаций и значительных квазистатических пов­ реждений.

Результаты исследований термической усталости сплавов ХН73МБТЮВД и ХН51ВМТЮК.ФР приведены в работах [24, 29, 55, 56].

Испытания проводили по методике, изложенной в работе [7], на сплошных цилиндрических образцах (диаметр 8 мм, рабочая длина 25 мм) с автоматической записью диаграмм циклического деформирования при иеизотермическом нагреве. Управление режимом термического нагружения выполнялось путем поддержания в процессе циклических нагревов требуемых предельных значений температуры в середине рабочей длины образца. Разрушение фиксировалось по моменту образо­ вания макротрещины. Дозирование в цикле долей усталостного н квазистатического повреждений осуществлялось варьированием жесткости нагружения. При этом при испытаниях реализованы разрушения в широком диапазоне чисел циклов наг­ ружения (см. табл. 2.5).

При термоциклическом нагружении в зоне разрушения (шейка) воспроизводили переменные температуры 200 ... 860 и 200... 930° С для первого и второго сплавов соответственно (рис. 2.48). Жест­ кость установки варьировалась в пределах 30... 240 кН/м, время нагрева в цикле tn= 1 мин, время выдержки /в= 0 ; 2,5; 6 и 60 мин.

В результате испытаний исследуемых сплавов получены базо­ вые данные и расчетные характеристики. Для расчета усталостных повреждений получены кривые малоцикловой усталости в условиях жесткого нагружения с независимыми режимами нагрева и нагру­ жения при сочетании циклов, сходном с режимами, реализуемыми

109