книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

клцие жесткость режима испытаний. В других схемах крепление образца в раме осуществляется через упругие связи 4 (рис. 3,5, б и в). Циклические нагрузки в образце регистрируются с помощью динамометрических колонок 2, соединенных с образцом последова­ тельно или параллельно (рис. 3.5, а), с применением тензодатчи­ ков 8.

Рис. 3.5. Схемы стендов для испытаний на термическую усталость с варьировани­ ем жесткости нагружения

В схеме, представленной на рис. 3.5, г, может быть реализован режим нагружения, когда контрольным (задаваемым) параметром процесса являются предельные напряжения в цикле термоцикличе­ ского нагружения. Термические напряжения в этом случае опреде­ ляются не стесненной термической деформацией, как в других схемах, а вщгрузкой, прикладываемой к образцу с помощью ры­ чажной системы, стесняющей термическое расширение (укороче­ ние) образца 6 при термоциклировании. Реализованная деформа­ ция является сопутствующим параметром, поддающимся регули­ рованию. Образец 6, закрепленный жестко одним концом в винте 9 с помощью контргаек 11, имеет возможность при термоциклиро­ вании укорачиваться или удлиняться. Верхний захват образца 3, выполненный в виде серьги, позволяет нагружать образец при крайних температурах термического цикла с помощью рычагов 5 и 4 с грузами / и 8 соответственно. Термомеханическое нагружение осуществляется так: при нагреве образца рычаг 5 сжимает обра­ зец, при этом рычаг 4 с помощью упора 7 выключается из работы (напряжения сжатия определяются грузом /). При охлаждении и после разгрузки образца выключается рычаг 5 с помощью упора

131

2 и включается рычаг 4, груз которого 8 определяет растягиваю­ щие напряжения. Система нагружения образца смонтирована на станине 10. Рукоятки 9 и 11 служат для фиксации силовой цепи после настройки.

Дальнейшее совершенствование методики испытаний на терми­ ческую усталость, по-видимому, связано с введением в рассмотрен­ ные схемы элемента переменной жесткости, позволяющего осуще­ ствлять непрерывное программирование какого-либо параметра термомеханического цикла, но реализуемого за счет термоцикличе­ ского нагружения [69]. Заслуживает внимания схема, приведенная на рис. 3.5, д [80]. Система нагружения содержит мембраны 3 пере­ менной жесткости в виде пустотелой пластины, внутрь которой по­ дается воздух под давлением р, обеспечивающий плавное (про­ граммированное) регулирование жесткости не только предвари­ тельно, в период настройки системы, но и в течение термоциклического испытания. Жесткость защемления образца /, закрепленного в раме (жесткая шайба 7, колонки 6), дополнитель­ но изменяется с помощью мембраны 3.

Программированное нагружение по нагрузке (при мягком ре­ жиме) или по деформации (при жестком режиме) с одновремен­ ным синфазным нагревом осуществляется следящей системой, уп­ равляемой от динамометрических или от тензометрических (для жесткого режима) элементов установки.

Конструктивные особенности описанных выше стендов рассмотрим на приме­ ре установки, представленной на рис, 3.6, а [29, 100]. Жесткие обоймы 11 и 1 4 связаны между собой тремя колонками 12, являющимися одновременно динамо­ метрическими элементами. В средней части колонок размещены тензодатчики 13. Динамометры изолированы с помощью текстолитовых втулок 1 0 и прокладок 9 . При сборке стенда обоймы устанавливают строго параллельно (допуск 0,02 мм на диаметр шайбы 420 мм) и фиксируют гайками. Настройку заданной жесткости испытаний выполняют с помощью сменных мембран 8 соответствующей толщины, которые центрируют в специальных отверстиях обойм 11. В каждой мембране имеются соосные отверстия для крепления переходных втулок 7. Цилиндрическую головку образца 1 крепят во втулках с помощью полуколец 3, гайки 2 и стопор­ ной гайки-втулки 6. В верхнюю переходную втулку 7 головка образца входит по скользящей посадке, а в нижнюю — с зазором, который предусмотрен для устра­ нения возможной несоосности при монтаже образца. В головки образца вверну­ ты медные токоподводящие стержни 5, к которым припаяны медные шайбы 16, служащие для крепления токоподводящих шин 4 . На медные стержни навернуты штуцера 1 7 для подвода (при необходимости) охлаждающей среды к образцу. Термическим циклом нагрева-охлаждения управляют с помощью термопары 18, которую подключают к регулирующему прибору 20, а для записи цикла темпера­ туры — к электронному потенциометру 19. Запись осуществляется самописцем 15, например по методике работ [96, 104].

большой длительностью цикла. Испытываются образцы с малой

132

образцов и материалов стержней, подбираемых таким образом, чтобы реализо­ вать нужное сочетание циклов нагружения и нагрева (прямой или оппозитный режим). Для реализации прямого режима нагружения (при сочетании полуцикла упругопластического растяжения с полуциклом нагрева) в боковые стержни 4 вваривают вставки 3 (или 2) из материала с большим коэффициентом линейно­ го расширения; термическая деформация центрального стержня 1 существенно превышает деформацию от боковых стержней 4 и образцов 5. Если вставка сде­ лана в центральном стержне /, то будет реализован прямой режим нагружения образца.

Рис. 3.6. Схема стенда (а) и приспособления нагружения образца (6) для мало­ цикловых неизотермических испытаний при варьируемой жесткости нагружения (термическая усталость)

Нагружающее приспособление с образцами помещают в элек­ тропечь и подвергают циклическому нагреву-охлаждению, а при экстремальных температурах цикла осуществляют длительную вы­ держку. Амплитуду упругопластической деформации либо рассчи­ тывают (с учетом податливости нагружающих стержней), либо измеряют с помощью электрического тензометра, чувствительный элемент которого находится вне зоны высоких температур.

При испытаниях на термическую усталость необходимо качест­ венное регулирование термического цикла (в особенности на этапе выдержки), определяющего по существу режим термомеханическо­ го нагружения материала образца.

На рис. 3.7, а приведена схема управления нагревом образца при испытаниях на термическую усталость. Схема позволяет осу­ ществить тонкое регулирование температуры, нагрев и охлаждение с заданными скоростями, а также надежное поддержание макси-

133

мальнон температуры на этапе выдержки. Регулирующее устрой­ ство показано на рис. 3.7, б'.

Образец 5 нагревается при пропускании электрического тока от силового трансформатора 4. Ток регулирует вариатор 2 по программе 9 , вычерченной на бумаге барабана 11, регулирующего устройства 7. В качестве регулирующего устройства используют серийно выпускаемый йрибор РУ-05М. Важным элемен­ том схемы является приставка 1 регулирования температуры П Р Т , включающая

Рис. 3.7. Типичные схемы управления режимом термомеханического нагружения при испытаниях на термическую усталость

полупроводниковую схему, управляющая работой тиристоров 3 . Обратная связь осуществляется через термопару, установленную на поверхности средней, наибо­

ной сигнал с моста 13, управляющего перемещением ползунка реостата 1 8 с по­ мощью двигателя 15 (РД-09) и усилителя 14. При разбалансе моста 1 7 сигнал поступает на приставку 1, которая управляет нагревом.

Тепловое состояние образца при малоцикловом термоусталост­ ном нагружении. Общеприняты тонкостенные трубчатые цилиндри­ ческие или корсетные образцы (рис. 3.8, а, г). Такая форма образ­ ца обусловлена, с одной стороны, минимальным температурным градиентом по толщине стенки в процессе термоциклирования и, следовательно, однородным напряженным состоянием рабочего участка, а с другой стороны, требованиями устойчивой конструк­ ции образца в условиях циклического упругопластического дефор­ мирования и стремлением к наименьшим радиальным напряжениям при охлаждении образца.

Значения и распределение температур по длине образца явля­ ются определяющим фактором в формировании необратимых из­ менений в структуре материала и накоплении повреждений при термоциклированин.

134

во

В)

Рис. 3.8. Образцы для испытаний на термическую усталость

135

онарное поле вдоль образца устанавливается примерно через 1 0 мин (рис. 3.10, а и б) после начала нагрева [32, 60]:

т;с

а)

t j -10г, нкм

6)

В связи с отмеченным обстоятельством существенно различные процессы развития термической деформации протекают в цикле нагружения. Они зависят от конструкции образца и параметров режима термоциклического нагружения. Из рис. 3.10, б, в следует, что в данных условиях термическая деформация определяется сум­ марным временем на этапе нагрева или выдержки температуры в

136

среднем сечении образца. Характерно, что термическая деформация в поперечном среднем сечении образца практически вся (примерно 95%) реализуется на этапе нагрева за мин. Это означает, что при наличии в цикле термического нагружения выдержки в опас­ ном сечении будет происходить дополнительный прирост механиче­ ской (поперечной и продольной) деформации в связи с термическим расширением образца за счет прогрева переходных частей.

Конструкция образца может менять характер развития продоль­ ной термической деформации [96] как на этапе нагрева (рис. 3.10, б, г), так и на этапе выдержки (рис. ЗЛО, в, д). С увеличени­ ем времени нагрева и выдержки термическое расширение корсетных образцов сплошного сечения (рис. 3.8, д) и тонкостенного (рис. 3.8, г) увеличивается, а для цилиндрического трубчатого образца уменьшается. При длительном нагреве проявляется эффект тепло­ вого насыщения образца, и термическое удлинение не зависит от гфемени (скорости) нагрева. Однако из-за меньшей массы металла в корсетном тонкостенном ^образце при одинаковых температурах предельная продольная термическая деформация достигается су­ щественно раньше.

Исследования процессов деформирования (29] свидетельствуют о специфических эффектах, свойственных методике испытаний на термическую усталость: с одной стороны, существенная локализа­ ция упругопластической дефор­ мации в наиболее нагретой час­ ти образца, с другой стороны, при более высоких значениях параметров термоциклическо­ го воздействия — интенсивное формоизменение, проявляю­ щееся в связи с предельным градиентом температур.

Локализация деформаций вносит определенные измене­ ния в распределение темпера­ тур. В зоне утонения образца температура повышается (рис. 3.11). Это следует учитывать

при оценке результатов термоусталостных испытаний.

В последнее время для серийных термоусталостных испытаний при сравнительной оценке сопротивления разрушению жаропроч­ ных сплавов в заводских условиях широко применяют также об­ разцы сплошного сечения малых размеров (см. рис. 3.8, в, е). Они имеют различные головки. Эти образцы можно изготовить из раз­ рушившихся или отработавших определенный ресурс деталей.

Определение амплитуды упругопластической деформации при термоусталостном нагружении. Изучение закономерностей цикли­ ческого деформирования и разрушения при малоцикловом неизотер­ мическом нагружении возможно лишь при наличии достоверной

137

информации о полях циклических упругопластических деформаций в условиях меняющихся температур. При испытании на термиче­ скую усталость образца, закрепленного между жесткими плитами, процессы циклического упругопластического деформирования, про­ текающие в материале образца, происходят в неконтролируемых условиях. Это определяет такие специфические явления, как нестациоиарность процесса упругопластического деформирования и

Рис. 3.12. Кинетика процесса формоиз­ менения рабочей длины цилиндрического образца (см. рис. 3.8, б) при термоуста­ лостном нагружении в режиме 200 ...

В)

одностороннее накопление необратимых деформаций. Об этом свидетельствуют, например, данные о кинетике необратимых де­ формаций растяжения с№раст. и сжатия е(й>сж и формоизменении, объемов рабочей части образца (Ad) (рис. 3.12) при термоуста­ лостном нагружении. Указанные эффекты связаны с условиями ис­ пытаний (жесткостью нагружения, уровнем температуры цикла, скоростью нагрева и охлаждения и др.) и зависят от режима тер­ моусталостного нагружения. Однако при анализе результатов испытания на термическую усталость и прежде всего при измерении циклических деформаций на это обстоятельство следует обращать внимание.

Сравнительно меньшей трудоемкостью обладают косвенные ме­ тоды измерения продольной деформации [96], основанные на записи петель гистерезиса нагрузка — температура заневоленного цикли­ чески нагреваемого образца (рис. 3.13, а). Петля гистерезиса, обоазуясь вследствие наличия необратимых (пластических) деформа­ ций в цикле упругопластического деформирования образца при термоциклическом нагружении по режиму (рис. 3.13, в) без вы­ держки, является достаточно чувствительной характеристикой ки­ нетики необратимых изменений в материале образца и параметров

138

3.13, б), получаем расчетное уравнение для определения накоплен­ ной пластической деформации

(3.5)

Величина накопленной пластической деформации за термиче­ ский цикл при Р = 0 (ширина петли гистерезиса) соответственно бу-

т

Рис. 3.13. Схема измерения амплитуды упругопластической деформации

при изменении температуры от Тв до TD, т. е. замеренное полное расширение образца за цикл изменения температуры.

Таким образом, для определения пластической деформации по уравнению (3.5) необходимо предварительно на двухкоординатном приборе для свободного образца записать петлю термической (на расчетной длине) деформации образца (рис. 3.13, б), а для закреп­ ленного образца — петлю гистерезиса нагрузка — температура. За­ тем вычисляют параметры при любой нагрузке: по первой кривой—■

термическое расширение Д/^с , . а по второй — коэффициент жесткости защемления К. Однако применение этого метода ограни­ чено условиями a(T )=const и O ^ /C ^ l, т. е. не учитывается сте­ пень локализации деформации. Использование указанного метода оправдано, по-видимому, лишь в диапазоне умеренных температур, когда указанные эффекты заметно не проявляются. В этих услови­ ях получаются достоверные результаты.

Метод измерения деформаций непрерывным фотографировани­ ем образца в процессе испытаний [29] позволяет проследить за кине­ матикой упругопластических деформаций по всему образцу, дает надежные данные по определению истинной упругопластической де­ формации, но значительная трудоемкость операций ограничивает его применение в практике.

НО