книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

где р и т — параметры циклической диаграммы деформирования материала в условиях неизотермичности; — предельное число циклов до разрушения при линейном напряженном состоянии; еа и Eai — амплитуды циклической деформации и интенсивности деформации при линейном и сложном напряженном состоянии; Nf* — расчетное число циклов до разрушения при сложном напряженном состоя­ нии.

Энергетический критерий носит пока гипотетический характер, поскольку он апробирован лишь в условиях линейного однородного напряженного состояния, для которых получены и выведены основ­ ные закономерности.

Рассмотренные выше критерии апробированы для сравнитель­ но узкого диапазона термомеханических нагружений как по типу режимов, так п по видам сложного напряженного состояния. Все исследования ограничивались лишь частными вариантами однород­ ного плоского напряженного состояния в изотермических [53] и кеизотермических [29, 109] условиях, причем в последнем случае рассматривался преимущественно термоусталостный режим нагру­ жения.

Исследовали, как правило, или жесткий режим (в контро­ лируемых условиях по деформациям) при постоянных (нормаль­ ных и повышенных) температурах, или близкий к жесткому режим, который обеспечивался условиями термоусталостиого нагружения без включения выдержек в экстремальных точках циклов нагрузки и температур. Временные эффекты либо не проявлялись, либо были ограничены, а характер процесса для исследованных материалов оказывался практически стабильным по напряжениям и деформа­ циям или достаточно быстро стабилизировался.

Таким образом, рассмотренные критерии охватывают практи­ чески важные условия термомеханического нагружения, реализуе­ мые в опасных зонах конструктивных элементов. Однако они не учитывают, с одной стороны, кинетику процесса упругопластическо­ го деформирования (предполагается стабилизация процесса цик­ лического деформирования), развитие которого особенно характер­ но для мягкого и промежуточных режимов малоциклового дефор­ мирования, и обусловлено временными эффектами на этапах выдержки при экстремальных температурах цикла нагрева, а с другой стороны, нестабильность циклических свойств конструкци­ онных материалов, особенно в области высоких температур.

В этом отношении обоснованы предложения [15, 24, 6 8 , 117] по использованию деформационно-кинетического критерия в случае сложного напряженного состояния п в зонах концентрации напря­ жений. Он апробирован для большого числа материалов и разно­ образных режимах (изотермических и иеизотермических) малоцик­ лового нагружения в условиях линейного однородного напряженно­ го состояния.

Методика расчета на базе этого критерия изложена в работах [15, 17, 6 8 , 90, 117]. Имеются прямые результаты, обосновывающие справедливость деформационно-кинетического критерия, по край­ ней мере для зон концентрации напряжений. Некоторые данные, подтверждающие правомерность деформационно-кинетической

121

трактовки предельного состояния в зонах концентрации напряже­ ний, приведены на рис, 2.57.

Результаты исследований по использованию деформационнокинетического критерия малоцикловой прочности в условиях слож­ ного нагружения приведены в работе [46]. Эксперименты выполня­ лись на образцах из стали 15Х2МФА при нормальной и повышен­ ной (400° С) температурах. Испытывали тонкостенные трубчатые образцы при знакопеременном кручении с наложением одноосного

универсальной испытательной машины ЦДМУ-30, обеспечивающий нагружение циклическим крутящим моментом и постоянными во времени осевой силой и внутренним давлением. Режим циклическо­ го нагружения — жесткий по деформации, симметричный.

На основе уравнения экспериментальной кривой малоцикловой

— приращение интенсивности односторонней деформации за цикл;

122

— интенсивность деформации, соответствующая разрушению при однократном статическом нагружении (располагаемая пластич­ ность,) .

В такой трактовке деформационно-кинетический критерий ма­ лоцикловой прочности имеет вид

(2.49)

Эксперименты показали, что амплитуда деформации и накопле­ ние односторонней деформации за цикл с ростом числа циклов на­ гружения изменялись несущественно. Это позволило считать вели­ чины ег и <?, постоянными, зависимость (2,49) принимает вид

(2.50)

Необходимые для расчета интенсивности деформаций данные об изменении линейных деформаций в осевом и окружном направ­ лениях определяли в процессе испытаний. Третью компоненту де­ формации (в радиальном направлении) вычисляли на основании гипотезы о постоянстве объема. Особый интерес представляет за­ дача определения предельной интенсивности деформации однократ­ ного статического разрушения е/г.

Пластичность материала зависит от вида напряженного состоя­ ния. При оценке малоцикловой прочности в соответствии с дефор­ мационно-кинетической трактовкой накопления малоцикловых по­ вреждений при сложном напряженном состоянии [46] располагае­ мую пластичность (2.48) следует определять с учетом вида напряженного состояния. При этом в качестве параметра жестко­ сти напряженного состояния можно принять отношение

Такой подход при оценке длительных статических и усталостных повреждений при плоском напряженном состоянии при изотерми­ ческом малоцикловом нагружении реализован в исследованиях [46]. Изучали пластичность теплоустойчивой стали 15Х2МФА при различных видах напряженного состояния: чистое кручение Я=О, чистое растяжение Я-= I, кручение с растяжением О ^ Я ^ 2 , трех­ осное растяжение 2,5s^//st4,2.

При варьировании жесткости напряженного состояния в преде­ лах 1^Яй$2, характерных для работы материалов в опасных зо­ нах реальных конструктивных элементов, располагаемая пластич­ ность может снижаться в 30...40 раз и составлять для весьма плас­ тичного материала (сталь 15Х2МФА) по стандартным характери­

стикам всего 4,..6% (рис. 2.58).

Полученные в результате расчета по выражениям (2.46), (2.47) и уточненным значениям располагаемой пластичности зависимости суммарных накопленных повреждений от числа циклов нагружения

123

представлены на рис. 2.59. Разброс накопленных повреждений ле­ жит в пределах от 0,5 до 1,2.

Оценка разрушающего чис­ ла циклов, проведенная по кри­ терию (2.50), доказала хоро­ шее соответствие расчета к экс­ периментов во всем исследо­ ванном диапазоне циклических деформаций и наложенных ста­ тических напряжений (рис. 2.60). Отклонение по долговеч­ ности не превышало двухкрат­ ного.

Рис. 2.60. Сопоставление расчетных Л7^асч и экспериментальных NyKCa

долговечностей для стали 15Х2МФА при малоцикловом изотермическом нагружении в условиях сложного на­ пряженного состояния (обозначения те же, что и на рис. 2.59):

/ — Т=2Ь'’ С; II — 7'=400° с

124

Г л а в а 3

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

3.1. Базовые эксперименты и расчетные характеристики сопротивления малоцикловой усталости при неизотермическом нагружении

Рассмотренные выше закономерности длительного малоцикло­ вого и нензотермического разрушения позволили сформулировать критериальные зависимости (2.39), (2.41), (2.42) прочности. Наи­ большей общностью обладает деформационно-кинетический крите­ рий разрушения, подтверждающийся с достаточной для инженер­ ных расчетов точностью.

В условиях эксплуатации изделий машиностроения реализуют­ ся различные сочетания режимов теплового и механического на­ гружений. Учитывая типизацию и схематизацию режимов нагру­ жения и нагрева (см. п. 1.4), информацию о сопротивлении дефор­ мированию и разрушению можно получить путем проведения про­ граммированных испытаний. Их проводят, например, по методике работ [15, 16] с воспроизведением независимых режимов нагруже­ ния и нагрева (см. рис. 1,19, а...в, е, ж), а в случае термоусталост­ ного нагружения — по методике работ [29, 80, 94] с варьируемой жесткостью (см. рис. 1.19, з). При испытаниях регистрируют пара­ метры режимов термомеханического нагружения по циклам и во времени.

Для оценки неизотермической малоцикловой прочности при различных сочетаниях режимов нагрева и нагружения необходимы информация о кинетике параметров процесса циклического упруго­ пластического деформирования в опасной зоне конструктивного элемента, об изменении полной (или необратимой) деформации, о накопленной деформации с числом циклов нагружения, а также кривая малоцикловой усталости, соответствующая режиму нагру­ жения и нагрева. Кривые малоцикловой усталости следует полу­ чать при длительном изотермическом и неизотермическом малоцик­ ловом жестком нагружении с учетом температур (рис. 3.1, а), час­ тоты (времени) деформирования (рис. 3.1, б), а также цикличности температуры (рис. 3.2). В случае режимов, обладающих макси­ мальным повреждающим эффектом, кривые /, II (рис. 3.2) жестко­ го режима деформирования смещаются в область меньшего числа циклов до разрушения (появления трещины). Кроме того, требует­ ся информация о располагаемой пластичности материала при мо­ нотонном растяжении (рис. 3.3, режимы а, б) с учетом скорости

125

деформирования либо при длительном статическом нагружении (рис. 3.3, режимы в, г). Такие испытания проводят при постоянных или циклически меняющихся температурах, реализующихся в ре­ альном режиме термомеханического нагружения опасной зоны конструктивного элемента.

Рис, 3.1, Влияние температур и частоты нагружения (жесткий режим) на кривые малоцикловой усталости:

а —/ —const; 6 —T-const

Рис. 3.2. Типичные кривые малоцикло­ вой усталости при неизотермическом жестком нагружении при различном сочетании циклов нагрузки и нагрева

Испытательный стенд дол­ жен обеспечивать:

постоянство от цикла к цик­ лу заданных максимальных на­ грузок (деформаций) и темпе­ ратур в течение всего процесса испытания;

заданный закон изменения нагрузок (деформаций), в том числе линейный, с выдержками, при различной асимметрии цикла и

изменении знака нагрузки (деформации); синхронизированность режимов нагружения (деформирования)

и нагрева (охлаждения) ио заданной программе; статическое нагружение с варьируемыми скоростями деформи­

рования и испытания на ползучесть в условиях заданного цикличе­ ского изменения температуры;

диапазон частот нагружения (деформирования), позволяющий исследовать эффекты длительного нагружения (охрупчивание ма­ териала, ползучесть и т. п.) и кратковременное циклическое нагру­ жение, при котором указанные временные эффекты еще не прояв­

126

ным типом нагружения — жесткое. В процессе испытаний исследу­ ют сочетания режимов нагружения и нагрева, имитирующие экс­ плуатационные, в том числе и дающие наибольший повреждающий эффект при малоцикловом неизотермическом нагружении. Опре­ деляют влияние знака напряжений при высокотемпературной выдержке и роль фазности циклов нагружения и нагрева. Испы­ тания проводят^ при рабочих температурах эксплуатационного режима либо с варьированием максимальной и минимальной тем­ пературы цикла, частоты нагружения и длительности выдержки с учетом обеспечения эквивалентности повреждающего эффекта.

Рис. 3.3. Основные виды термомеханического нагружения в условиях постоянных (а и в) и циклически меняющихся (б и г) температур

Основными характеристиками при испытаниях в условиях ма­ лоциклового неизотермического нагружения являются:

кривые усталости при жестком и мягком неизотермическом на­ гружении по параметрам фазности циклов нагружения и нагрева, максимальной и минимальной температуры цикла, частоты нагру­ жения, длительности выдержек при экстремальных параметрах цикла, асимметрии цикла нагружения по напряжениям, деформа­ циям, временам;

кривые длительной прочности, пластичности и ползучести при неизотермическом нагружении.

В качестве базовых характеристик используют также кривые усталости и длительной прочности, пластичности и ползучести при экстремальных температурах термического цикла неизотермпческого режима нагружения.

3.2. Экспериментальные методы исследования

характеристик прочности

при термоусталостном нагружении

Испытания на термическую усталость с варьируемой окесткостью нагруу/сения. Наиболее распространенным способом получе­ ния характеристик малоцикловой прочности в условиях перемен-

127

ных температур является методика испытаний на термическую ус­ талость с варьируемой жесткостью нагружения [10, 29, 80, 96, 109]. В этом случае удается довольно близко имитировать термомехани­ ческое нагружение материала, которое реализуется в наиболее нагретых объемах деталей вследствие температурных градиентов при интенсивных нестационарных тепловых воздействиях. В основу

Рис. 3.4. Испытания на термическую усталость:

а, б, в — схемы; г — режим термомеханического нагружения; д — циклическая диаграмма уп­ ругопластического деформирования

методики положено представление о термомеханическом состоянии элементарного объема материала в опасной (наиболее напряжен­ ной) точке детали, подвергающейся интенсивному циклическому нагреву — охлаждению [6 , 29, 80, 100]. При интенсивных теплообменах работа элементарного объема детали в наиболее напряженной точке эквивалентна термомеханическому нагружению циклически равномерно нагреваемого и охлаждаемого защемленного стержня (рис. 3.4, а). Термическая деформация, обусловленная линейным расширением, полностью переходит в механическую деформацию

128

В условиях эксплуатации малоцикловое термоусталостное на­ гружение реализуется при мощных нестационарных тепловых по­ токах, относительно высоких максимальных температурах, когда материал испытывает знакопеременные циклические упругоплас­ тические деформации. Этот случай термоциклического нагружения впервые был рассмотрен Коффиным. Однако термомеханическое нагружение материала конструктивных элементов осуществляется с разной степенью стеснения тепловой деформации, т. е. эта дефор­ мация в механическую переходит не полностью. Часть ее идет на компенсацию упругих перемещений объема детали вследствие ог­ раниченной жесткости сопряженных объемов материала или дета­ лей. Это означает, что в заданном температурном диапазоне цик­ лическое механическое нагружение материала будет иным, чем при абсолютно жестком защемлении элемента. Последнее важное обстоятельство отражено в методе испытаний на термическую ус­ талость с варьируемой жесткостью нагружения [7, 29, 55, 80, 96].

Режим термоциклического нагружения с варьируемой жестко­ стью определяется жесткостью Сз эластичного элемента (рис. 3.4, б), имитирующего ограниченную жесткость прилегающих объе­ мов материала, и жесткостью С2 элемента, определяющего допол­ нительный вклад механической деформации, а также жесткостью Ci основного объема материала испытуемого образца. Следователь­ но, термомеханическое нагружение элемента жесткостью Сi произ­ водится с ограниченной жесткостью С0= (CI 4-C2)/(C IC2), которая может существенно изменяться в условиях эксплуатации в зависи­ мости от параметров теплового режима, физико-механических свойств материала и геометрии детали.

Рассмотренный принцип термомеханического нагружения по­ ложен в основу конструкции стендов для испытания материалов на термическую усталость с варьируемой жесткостью нагружения (рис. 3.4, в). Испытуемый элемент жесткостью Сi крепят в мас­ сивных абсолютно жестких плитах 1 и 2, соединенных элементами жесткостью С4. Степень стеснения деформаций оценивают коэффи­ циентом жесткости нагружения /С=ем/ет, где 'ем — механическая упругопластическая деформация нагружаемого элемента; ет — тер­ мическая деформация, определяемая по уравнению (3.1) при усло­ вии равномерного прогрева элемента в течение полуцикла нагрева.

В соответствии со схемой (рис. 3.4, в) коэффициент жесткости нагружения в первом приближении можно представить как К= = С[7(С1+ С1/), где Су — (С2 +С$) i {С2+Сг) + 2С4— жесткость си­ ловой системы при термоциклпческом нагружении. Анализ показы­ вает, что коэффициент жесткости К может изменяться в широких пределах (О ^А '^1). Для случая К > 1 его можно представить так: А=14-г|—^с, где г)С— величина, определяемая податливостью при­ легающих объемов материала; ц учитывает прирост механической деформации элемента за счет теплового расширения элемента жест­ костью Сг при значительной его жесткости.

Следовательно, варьирование жесткости нагружения и, таким образом, механической деформации при заданных термоцикличе-

ских условиях нагружения возможно либо за счет изменения жест­ кости С0 системы нагружения (изменения жесткости Сз упругого элемента или жесткости С2 переходных частей), либо за счет допол­ нительной термической деформации переходных частей.

Начальное упругопластическое деформирование в полуцикле нагрева tn и в течение выдержки осуществляется по кривой дефор­ мирования 0—/ (рис. 3.4, г)). При этой полная упругопластическая деформация оказывается меньше термической ет на Дь определяе­ мую податливостью системы. При охлаждении (£ох) упругопластическос деформирование протекает в соответствии с кривой 1—2—3, а при нагреве — согласно кривой 3—4—5—6.

Таким образом, при последующих термических циклах цикличе­ ское упругопластичеекое деформирование определяется петлей гис­ терезиса 1—2—3—4—5—б с размахом деформаций е= ет— (Д1 + Д2 ).

Необратимая деформация (ширина петли) sp= s — (ееЖ~ф £еаст), где

пластического деформирования являются размах деформации е, размах напряжений S = opfiCT+ сгсж, ширина петли гистерезиса е1Ь а также Дос, характеризующая интенсивность протекания релакса­ ционных процессов и развития необратимых деформаций ползуче­ сти, составляющих в ряде случаев значительную долю в необра­ тимой деформации цикла ер.

Долговечность материала до образования трещины при термоциклическом нагружении, оцениваемая числом циклов Nf или вре­ менем до разрушения (появления трещины) U, является основным критерием сопротивления материала термоциклическому нагруже­ нию. Первичной информацией о сопротивлении материалов термо­ циклическому нагружению являются кривые термической уста­ лости.

Стенди и системы управления процессом термоциклического нагружения. В стендах для термоусталостных испытаний [7, 29, 80, 94, 109 и др.] роль термически нагружаемого элемента выполняет образец, а окружающих его объемов материала детали — устройст­ во переменной жесткости, В стендах, схемы которых представлены на рис. 3.5, а...в, реализуется режим нагружения, когда задаваемым параметром является упругопластическая деформация. Различие заключается в способе варьирования упругопластической деформа­ ции: сменными мембранами переменной жесткости 4 и 10 (рис. 3.5, а) [29]; упругим элементом 4, последовательно соединенным '■ образцом 6 через подвижную траверсу 5 (рис. 3.5, б) [80]; упруги ми шайбами 4, расположенными между массивной траверсой 3, и колонками 2 и 9 (рис. 3. 5, в) [94].

Принцип работы стенда следует из рис. 3.5, а. Испытание за • ключается в периодических нагревах образца 6, закрепленного захватами 5 и 7 в раме, состоящей из набора стоек и массивных обойм / и 3, в которых крепят сменные мембраны 4 и 10, определя

130