книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

ния температуры и напряжений происходит лишь в периферийной зоне (поверхностный слой) ролика, толщина которой зависит от скорости технологической операции, сокращаясь до малой величи­ ны (0,03...0,05 мм) при интенсификации технологического процесса [99]. Анализ напряженно-деформированного состояния для указан­ ных условий показывает, что максимальные значения компонент

тензора объемного напряженного состояния возникают именно в поверхностном слое ролика. При этом характер и вид (характер­ ное выкрашивание материала поверхности) термоусталостного раз­ рушения определяются прежде всего действием циклических тер­ мических напряжений и связываются с типом объемного напряжен­ ного состояния [99].

.Анализ напряженно-деформированного состояния валков про­ катного стана (см. рис. 1.11, б) показывает высокий уровень интен­ сивностей циклических упругопластических деформаций в поверх­ ностных объемах (еР=0,32%) элемента в сочетании с цикличе­ ским характером температурного воздействия при контакте с горя­ чей лентой в процессе технологической операции.

Высокие термические напряжения свойственны элементам дизельных двигателей транспортного назначения (поршень [106]), подвижного состава железнодорожного транспорта (вагонные цельнокованные колеса) [47] и др. Повреждения в виде характер­ ной сетки мелких трещин или сквозной макротрещины на днище поршня появляются в результате многократных изменений нагру­ зочных и скоростных режимов при работе дизельных двигателей на обычных и особенно форсированных режимах. Поверхностные слои металла цельнокованных колес подвижного состава испыты-

21

вают интенсивные термоциклические воздействия вследствие чере­ дования нагрева и охлаждения колес при торможении поезда ко­ лодками из композитных материалов. Температура нагрева поверх­ ности колеса из стали 20ХГСФ достигает 500...600° С, что в сочета­ нии с интенсивным охлаждением (в зимнее время) определяет вы­ сокие термические напряжения, порядка предела текучести мате­ риала. За два года эксплуатации пассажирских поездов отбраков­ ка таких колес по признаку термоусталостного повреждения до­ стигла 6% [47], что следует признать значительным, учитывая тре­ бования высокой нормативной надежности к такому оборудованию.

1.3. Напряжения и деформации в элементах конструкций при неизотермическом малоцикловом нагружении

Условия работы материала в опасных точках конструктивного элемента определяются прежде всего характером теплового и си­ лового воздействий. Для теплоэнергетического оборудования [53] типичны следующие режимы эксплуатации: 1— пуск паровой тур­ бины из холодного состояния, стационарный период и медленный останов (рис. 1.12, а); 2 — пуск из холодного состояния, стационар­ ный период, быстрый останов (рис. 1.12, г); 3 — пуск из горячего состояния, стационарный период и быстрый останов (рис. 1.12, ж). Работа материалов конструктивных элементов такого оборудова­ ния (ротор, корпус паровой турбины, барабаны котлов парогене­ раторов, детали арматуры и пр.) принципиально различается в за­ висимости от режима эксплуатации. Для рассматриваемых режи­ мов характерна нестационарность нагружения с наличием в обла­ сти высоких температур выдержки. Характер изменения цикличе­ ских деформаций для указанных режимов нагружения показан на рис. 1.12, б, д, з соответственно.

Для первого режима этапы деформирования материала дета­ ли на обогреваемой стороне 0 — 1— 2, 2 — 3 и 3 — 5 соответствуют прогреву детали с выходом на стационарный режим (рис. 1.12, в) полной релаксации остаточных напряжений на этом этапе и мед­ ленному останову, при котором градиенты температур максималь­ ны. Очередной цикл термомеханического нагружения определяется как 3 — 1—2 —3. За время пуска агрегата и прогрева детали ма­ териал претерпевает пластическое деформирование дважды.

Режимы пуска и останова вносят существенные изменения в процесс деформирования материала. Для режима при наличии резкого охлаждения циклическое деформирование протекает в со­ ответствии с диаграммой 1—2 —3 —4 — 5 — 1 (см. рис. 1.12, е). При этом линия 5 — 1— 2 соответствует повторному пуску, линия 2 —3 определяет релаксацию остаточных растягивающих напря­ жений при стационарном режиме, а линия 3 —4 — 5 — резкому ох­ лаждению детали и последующему естественному выравниванию температуры. Важными параметрами, характеризующими работу материала в этом случае, являются пластические деформации

22

0)

е)

Рис. 1.12. Типичные режимы термо­ механического нагружения (а, б, г, д, ж, з) и циклы упругопластического неизотермического деформирования (а, е, и) и материалы элементов энер­ гетического оборудования {53, 54]

23

ep, Sp и е]}1 соответственно на этапах пуска и охлаждения, а так­ же деформации ползучести ес на этапе стационарного режима.

Циклическая диаграмма (рис. 1.12, и) соответствует деформиро­ ванию материала поверхности детали, омываемой горячей средой перед пуском агрегата из горячего состояния [точка (5)]; цикличе­ ское деформирование при последующих циклах эксплуатации вы­ ражается в последовательности этапов 5 — 6 — 1, 1 — 2 — 3, 3 —

поскольку температура средьг в начальный момент ниже, чем тем­ пература поверхности горячей детали. По мере роста температуры рабочего тела, прогрева поверхности за счет теплопередачи от сре­ ды напряжения становятся сжимающими, дважды меняя знак при переходе к концу прогрева (точка 2). Важно, что при высокой тем­ пературе термического цикла к концу прогрева и на стационарном режиме 2 — 3 деформирование и релаксация напряжений протека­ ют в полуцикле действия растягивающих напряжений. При этом накопление повреждений материалом конструкции в цикле термо­ усталостного нагружения определяется прежде всего необратимы­

ми деформациями вр, е'р1 на этапах термического цикла и ес стационарного режима.

Для теплоэнергетического оборудования характерно перемен­ ное термическое воздействие двух видов. Первый вид нагружения связан с возникновением в элементах оборудования температурных градиентов на нестационарных периодах теплового цикла (прогрев и остывание), второй — с возникновением постоянного градиента в оборудовании при его эксплуатации (на стационарном режиме).

В первом случае материал работает в основном при повторных пластических деформациях, поскольку возникающие остаточные напряжения (обратного знака по сравнению с термическими) почти полностью релаксируют в период стационарного режима большей, как правило, длительности. Таким образом, в медленно охлажда­ емом оборудовании термические и остаточные напряжения практи­ чески отсутствуют.

Во втором случае максимальные температурные напряжения возникают при работе на стационарных режимах, несколько релак­ сируют, а при останове агрегатов происходит упругопластическое деформирование. В этих условиях возможны малоцикловое и тер­ моусталостное разрушения, а также необратимое формоизменение детали, приводящее к квазистатическим разрушениям. При этом процессы одностороннего нарастания необратимых деформаций протекают при действии высокого по всей толщине стенки перемен­ ного градиента температур.

В газотурбинных установках транспортного типа удельные теп­ ловые потоки характеризуются существенно большей интенсив­ ностью, чем в конструкциях теплоэнергетического оборудования. В основных элементах аппаратов (лопатки, диски и др.) • ускорен­ но протекают процессы формирования предельных (по условиям прочности) состояний. Для рабочих и сопловых лопаток турбины

24

авиационного газотурбинного двигателя характерными являются высокие температуры (до 1100°С), скорости нагрева и охлажде­ ния, в связи с чем по сечению развиваются большие перепады тем­ ператур (до 300° С) [75, 100]. В лопатках образуются зоны высоких термических и механических напряжений (передняя, задняя кромки и сердцевина лопатки) с наличием значительных упругопластиче­ ских деформаций. Чередование стационарных и нестационарных

Рис. 1.13. Термомеханическое нагружение опасных зон лопаток (в) газотурбинно­ го двигателя:

а — в точке у отверстия на вогнутой стороне профиля охлаждаемой лопатки [5]. «■-тах =

= 0,42%; б — распределение упругопластических деформаций вдоль хорды х охлаждаемой ло­ патил в период возникновения максимальных напряжений (штриховая линия, emllK= —0,7%)

и на стационарном режиме (сплошная линия) для времени нагрева соответственно 10 и 00 с )75| на вогнутой (/) и на выпуклой (2) сторонах профиля лопатки (сплав ХН35ВТЮ); дефор­ мации на стационарном режиме для точек А, В, С равны соответственно —0,32%, +0,207% и —0,427%; г — изменение температуры (/), термических напряжений (.2) и условной повреж­ даемости (.3), в кромке сопловой лопатки на характерном переходном режиме (сплав ХС6К)

[102, 103]

режимов в цикле эксплуатации агрегата (рис. 1.13) определяет ма­ лоцикловый характер процесса упругопластического деформирова­ ния в условиях переменных температур и приводит к разрушению за ограниченное число циклов [10, 75, 100].

В охлаждаемых лопатках газотурбинных двигателей (ГТД) сложность конструкции, стесненность деформаций и термоцикличе­ ское высокотемпературное нагружение приводят к возникновению малоцикловых повреждений. Принудительное внутреннее охлажде­ ние рабочих и сопловых лопаток позволяет в определенной мере

25

регулировать термомеханические напряжения кромок лопаток. При этом возможно такое распределение температур, что кромки не будут нагружены, однако возможно появление опасных зон в цен­ тральной части сечения лопатки у края каналов охлаждения [75, 101]. Рассмотрим, например, термонапряженное состояние лопатки турбины первой ступени двигателя Конуэй и Спей фирмы «РолсРойс» по данным зарубежной литературы.

Лопатки турбины двигателя Конуэй выполнены с тремя ради­ альными каналами, обеспечивающими охлаждение по петлевой схеме. Максимальная температура на стационарном режиме со­ ставляет: на задней кромке 900, в центре сечения 700° С. Расчет на­ пряжений для нулевого момента времени дает следующие резуль­ таты: на задней кромке <т= 140...280, в центре а=420...560 МПа. Наиболее напряженная точка сечения (по сочетанию температуры и напряжения) находится у внутренней стенки третьего отверстия для охлаждающего воздуха, а= 236 МПа, Гтах=800°С. В нуле­ вой момент времени местный запас прочности в этой точке равен 2,5, а для времени / = 1400 ч он снижается до единицы. При расче­ те по несущей способности срок службы лопатки составляет 6000 ч.

Лопатка двигателя Спей выполнена с пятью радиальными ка­ налами для охлаждающего воздуха.- Материал этой лопатки (Нимоник 115) пластически деформируется в зоне с температурой 1000° С (а=270 МПа) и упруго — в зонах с меньшей температурой: при Ттгх = 800° С а = 490 МПа (сто,2 = 640 МПа), при 7,т ах = 700°С, о= 76 МПа (сг0|2=83 МПа) и т. д. Введение охлаждения в лопат­ ки турбины снизило максимальную температуру на 200...250° С, но одновременно возросли перепады температур по сечению лопатки. Это вызывает необходимость учитывать малоцикловый характер повреждений при меняющейся температуре.

Представляют интерес данные, приведенные на рис. 1.13, а, ха­ рактеризующие термомеханические напряжения в опасной точке рабочей лопатки (из литейного жаропрочного сплава) у отверстия канала охлаждения на вогнутой стороне профиля [30]. В этих ус­ ловиях полная деформация в = 42% при 7’= 1000° С, расчетная дол­ говечность (с учетом статического повреждения на этапе VI) со­ ставляет всего 1250 циклов. Существенно, что в этой точке растя­ гивающие напряжения приходятся на высокотемпературную часть термического цикла.

Указанные особенности проявляются более контрастно для соп­ ловой охлаждаемой лопатки, подвергающейся воздействию только тепловых нагрузок. Анализ [75] напряженно-деформированного со­ стояния сопловой лопатки (рис. 1.13, б) в режиме термоцикличе­ ского нагружения от 70 до 900° С, моделирующего условия эксплу­ атации, показал, что в момент выхода на стационарный режим ма­ териал лопатки подвергается действию значительных упругоплас­ тических деформаций (в«0,5% ), достигающих при пиковых на­ грузках (в начальный момент) 0,7% с наличием характерных зон (рис. 1.13, в): в кромках лопатки — деформации сжатия (точки А и С), а в центральной части сечения на вогнутой стороне профи­

26

ля — зона пластических деформаций растяжения (точка В) при высокой температуре, причем и в этом случае упругопластическая деформация значительна (е=0,3% ).

При оценке повреждаемости материала в опасных зонах кон­ структивных элементов следует принимать во внимание сочетание механической и тепловой нагрузок (их экстремальных значений).

Не всегда выполняется условие фазности (см. рис. 1.13, г) для экстремальных значений параметров термомеханического нагру­ жения. В рассматриваемом случае в кромке сопловой лопатки мак­ симальные напряжения сжатия при нагреве лопатки соответствуют температуре более низкой, чем температура полного прогрева. Опасные максимальные растягивающие напряжения возникают в полуцикле охлаждения, когда температура более чем в 2 раза ни­ же максимальной. При максимальной температуре термического цикла кромка практически свободна от термических напряжений. Сочетания температур и напряжений в полуциклах нагрева и ох­ лаждения определяют своеобразие процесса накопления повреж­ дений. Максимальные повреждения (кривая 3, рис. 1.13, г) воз­ никают не в момент экстремума напряжений и температур, а в про­ межуточном состоянии, когда способность материала сопротивлять­ ся циклическим нагрузкам оказывается пониженной.

Таким образом, не только режимы термического и механическо­ го нагружения, но и процесс упругопластического деформирования в опасных точках имеет нестационарный характер. Особенностью термомеханического напряженного состояния кромки лопатки яв­ ляется неоднородность распределения температур и напряжений; наиболее неблагоприятное сочетание напряжений и температур (но не экстремальных) имеет место в полуцикле нагрева, когда в кром­ ке действуют сжимающие напряжения. В целом для лопатки воз­ можно сочетание как сжимающих, так и растягивающих напряже­ ний в полуцикле высокотемпературного нагрева. Пластическое де­ формирование кромок приводит к возникновению поля остаточных напряжений при однородном тепловом состоянии и к изменению распределения напряжений по сечению в последующих циклах. При этом в формировании предельных состояний существенной оказывается роль процессов ползучести и релаксации [20, 29, 64, 68], протекающих наиболее интенсивно на этапе стационарного режи­ ма (период выдержки) и при наличии определенного уровня ста­ тических напряжений.

На примере моделей диска [53] рассмотрим роль формы и дли­ тельности термического цикла в образовании предельного состоя­ ния. Чисто термоусталостное нагружение осуществлялось путем периодического нагрева-охлаждения периферии модели с выдерж­ кой при максимальной температуре 0...19 мин. Проследим режим изменения тангенциальных напряжений (рис. 1.14, а) в связи с характером термоциклического нагружения и процессом упруго­ пластического деформирования (рис. 1.14, б). Нулевой полуцикл нагружения на стадии нагрева осуществляется на этапе 0 — 1 так, что в ободе возникают сжимающие напряжения, а суммарная де-

27

ка 1— 2, а затем в результате прогрева центральной зоны возни­ кают растягивающие напряжения до 400 МПа, которые затем релаксируют до 250 МПа в конце выдержки. На этом этапе пласти­ ческое деформирование осуществляется в результате накопления

деформации ползучести ($")• Далее в результате интенсивного

Рис. 1.14. Влияние режима термоциклического нагружения на процесс уиругопластического деформирования в опасных зонах (а, б) и характер разрушения (в)

модели турбинного диска (53, 54]:

а — изменение напряжений за время термического цикла с выдержкой; б — развитие цикли­ ческих уиругоиластических деформаций за время термического цикла: в термопиклнческая прочность модели диска в зависимости от вида необратимой деформации ( / —ер , 2 ~ s z ir) и

времени выдержки (3)

охлаждения периферии диска происходит активное пластическое деформирование на этапе 3 —4 и наблюдается дальнейший рост растягивающих напряжений, которые снижаются при остывании центральной зоны до 100 МПа. Точка 5 (рис. 1.14, а и б) является началом очередного термоциклического нагружения, которое вы­ зывает деформирование на участках 5 — 1, 1— 2 —3 и 3 —4 — 5 в соответствии с основными режимами термического цикла на­ грев — выдержка —охлаждение.

В рассмотренном случае характерно сочетание экстремальных значений температур и напряжений на этапе выдержки, а также наличие растягивающих напряжений и накопление деформации

ползучести (е”) растяжения. Таким образом, в рассматриваемых элементах конструкций значимой, с точки зрения прочности, ста­

28

новится роль растягивающих напряжений в области высоких тем­ ператур термического цикла с выдержкой (наиболее поврежда­ ющее сочетание), причем усиливается влияние деформаций ползу­ чести на формирование разрушения при термоусталостном нагру­ жении (рис. 1.14, в).

Как и для агрегатов теплоэнергетики, при определенных сочета­ ниях режимов термоциклического нагружения, действия статиче­ ских нагрузок и конструктивных параметров детали в элементах турбомашин может проявиться эффект формоизменения конструк­ ции в целом [10] или отдельных зон [70], выражающийся в накопле­ нии односторонних [12] деформаций [9, 44]. Этот эффект особенно характерен в условиях значительных градиентов по сечению детали и высоких температур термического цикла. Такой случай реализо­ ван при испытании дисков (диаметр диска 450 мм, диаметр ступи­ цы 70 мм) турбомашин по специальной программе (рис. 1.15, а) с имитацией центробежных сил [43]. В период выхода на стацио­ нарный режим в диске наводились высокие перепады температур (до 600° С). Опытные данные (рис. 1.15, б) свидетельствуют о том, что процессы накопления за цикл односторонних деформаций (для режима при Ттах=750°С) быстро стабилизируются. Характер из­ менения пластических деформаций и деформаций ползучести по циклам один и тот же. Значения накопленных за цикл деформаций (пластической и ползучести) сопоставимы, а суммарная их величи­ на оказывается значительной с точки зрения накопления квазистатических повреждений. Циклический характер процесса деформи­ рования реализуется по всему объему диска (рис. 1.15, в). Приме­ чательно, что пластические зоны деформирования появляются на ободе и в зоне расточки диска; они занимают большие объемы и не меняются при циклическом деформировании, при этом пласти­ ческие деформации могут составлять около 1% [44]. Следователь­ но, наиболее подвержены повреждениям крайние точки обода и ступица диска [22, 100].

Максимальная температура термического цикла существенно влияет на характер необратимых деформационных процессов. Рас­ чет термоциклических деформаций в диске при 7=70...800° С [9, 43] выявил существенную нестационарность процесса накопле­ ния (рис. 1.15, г и д) односторонних деформаций в цикле деформи­ рования (в отличие от предыдущего примера). К десятому циклу суммарная накопленная деформация достигает 3%, что и определя­ ет большие квазистатические повреждения и соответствующий ха­ рактер разрушения конструктивного элемента [44].

Таким образом, для прогнозирования термоциклической проч­ ности элементов конструкций необходимо обстоятельное исследова­ ние реальной термомеханической нагруженное™ и получение кор­ ректной информации о предельном состоянии материала по кри­ териям усталостного и квазистатического малоциклового разруше­ ния с учетом параметров действительного цикла упругопластического деформирования в максимально напряженных зонах кон­ струкции.

29

Наряду с рассмотренным влиянием формы и длительности цик­ лов нагружения и нагрева на термомеханическое напряженное со- •стояние элементов машин и агрегатов влияют конструктивные фак-

Рис. 1.15. Кинетика напряжен­ но-деформированного состоя­ ния турбинных дисков в зави­ симости от режима термомехаческого нагружения [9, 43, 44,

63, 80]:

.диска по режиму, представленному на рис. 1.18, б; д — скорость накопления деформаций н наиболее опасной точке иаза замкового соединении

торы [75]. Исследования термонапряженных состояний лопаток при различных термических циклах показали [101], что абсолютное значение и перепады температур, а-также термические напряжения определяются жесткостью режима теплового нагружения и гео­ метрическими параметрами объекта исследования (рис. 1.16).

.30