книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

Сравнивая поля термических напряжений для лопаток разных конструктивных форм при сравнительно близких условиях внеш­ него теплового воздействия, можно отметить, что термические на­ пряжения в опасных зонах лопатки существенно неодинаковы и определяются, с одной стороны, геометрией элементов и, с другой стороны, неравномерностью распределения интенсивностей тепло­ обмена. Хотя поле напряжений (рис. 1.16, а и в) реализуется в ус­ ловиях контрастных режимов теплового воздействия (в одном слу­ чае нагрев, а в другом охлаждение), наличие канала для охлажде­ ния во втором случае принципиально меняет характер термической напряженности как по величине, так и по знаку. Особенно кон­ трастны в этом отношении примеры, приведенные на рис. 1.16, б я г. В тонкостенной конструкции появляются зоны концентрации термических напряжений разного знака. При этом, однако, созда­ ются условия для более тяжелых режимов термомеханического на­ гружения (растяжение плюс высокая температура), а также для местной потери устойчивости.

Существенное влияние' конструктивных факторов на термона­ пряженное состояние позволяет за счет варьирования геометриче­ ских параметров конструкции добиться наиболее благоприятного поля напряжений и, в частности, разгрузить кромки лопаток. Рис. 1.16, д показывает возможность управления напряженным состоя­ нием в опасных зонах конструктивного элемента.

В условиях термоциклического нагружения (400...900° С) напря­ женное состояние кромок существенно меняется за счет варьиро­

нии толщины стенки 6. Как видно, роль конструктивного фак­ тора существенна: при уменьшении толщины стенки возрастает не­ равномерность поля напряжений в пустотелой лопатке, но значи­ тельно снижаются напряжения в кромках, что связано с уменьше­ нием градиентов температур за счет полости.

Возможность имитации полей термических напряжений, а так­ же условий термоусталостного разрушения различных типов лопа­ ток ГТД путем подбора геометрии модели показана в работах [75, 102]. Для элементов клиновидной формы (см. рис. 1.16, е) градиент температур и конструктивная форма детали определят неравномерность распределения термоупругих осевых напряжений. Примерно одна треть объема материала, прилегающего к кромкелопатки, находится в линейном напряженном состоянии, а массив­ ная часть клина — в объемном напряженном состоянии. Некоторые результаты исследований [102] по моделированию термонапряжен­ ного состояния кромок лопаток клиновидной модели представлены на рис. 1.17. Путем варьирования основных геометрических пара­ метров клина (радиус закругления кромки, угол раствора клина <р

31:

и длина хорды L) можно в широких пределах управлять напря­ женным и тепловым состоянием кромки клина, при этом параметр хорды сказывается преимущественно на уровне термических на­ пряжений (рис. 1.17, а), а угол раствора — на тепловом состоянии (рис. 1.17, б); влияние радиуса кромки в этом отношении меньше.

Рис. 1.16. Термомеханическое нагружение сопловых (а, в, г, д) и рабочей (б) ло­ паток газовых турбин и клиновидного (е) образца (см. рис. 1.17, в) на режимах:

— Т^/Т г (сплав ХН70ВМТЮФ) [10]; е — изменение температур и напряжений по контуру се­

чения (штриховая линия), по средней линии (сплошная — при расчете по МКЭ), расчет по стержневой модели —шгрихпунктирная линия [119]

Для элементов конструкций, работающих при экстремальных тепловых и механических нагрузках, зоны наибольших напряже­ ний температуры деформаций приходятся, как правило, на области концентрации напряжений {5, 44]. Упругопластические деформации в зонах концентрации при термоциклическом нагружении вызы­ вают перераспределение напряжений и деформаций, зависящее от взаимодействия полей механических и термических деформаций но­ минальной нагруженности, теоретического коэффициента концен-

32

Рис. 1.17. Изменение температуры и термических напряжений в кромке клиновид­ ного образца (в) в зависимости от размеров:

поверхности кромки клипа (сплошная линия) и точки, отстоящей от нее на расстоянии 1 мм (штриховая) для времени соответственно 1, 3, 5 с; (7, 3), (9, 10), (11, 12) — изменение тем­ пературы (сплошная линия) и напряжений (штриховая) в точке поверхности кромки клина для времени соответственно 2, 3, 5 с

Р ис. 1.18. Термомеханическое нагру­ жение опасных зон турбинного диска:

а — распределение тангенциальных напря­ жений в зоне отверстия (см. рис. 1.2, г); б — изменение частоты вращения (4), тем­ ператур Т в различных точках диска; 1 —

33

традии, а также от сопротивления материала упругопластическо­ му деформированию в условиях повышенных и циклических темпе­ ратур. Характерным в этом отношении является турбинный диск. Наиболее часто трещины и последующее разрушение малоцикло­ вого характера возникают в местах концентрации напряжений: око­ ло отверстий [5, 10], в зоне замковых соединений по радиусам галте­ лей [9, 44] и др. Информация о напряженном состоянии высоконагруженных зон турбинных дисков, рассчитанная с помощью МКЭ, представлена на рис. 1.18 [5]. По/данным [5] для диска (рис. 1.18, а) полная деформация в опасной лючке при термоциклических испы­ таниях диска (температура 640° С, сплав ХН77ТЮР) составляет 0,6%, что и определяет расчетное число Nf = 3,3• 104 для времени цикла (без выдержки) tn— 3 мин. Включение длительной выдержки в термический цикл нагружения (/ц= 1 0 мин) вызывает снижение расчетной долговечности примерно в 3 раза (7V/= 1,2- 14104).

На рис. 1.18, б показано изменение температур (1, 2, 3) в ха­ рактерных точках диска при центробежной нагрузке (4), а также отражен циклический характер действия напряжений в галтели ло­ паточного паза для первого и двенадцатого циклов термомеханиче­ ского нагружения. Эпюра распределения напряжений в галтели ло­ паточного паза диска для первого нолуцикла нагружения (рис. 1.18, в) характеризует высокую нагруженность опасной зоны тур­ бинного диска при термоциклической нагрузке. Характер режима термомеханического нагружения диска такой же, как у модели дис­ ка (см. рис. 1.14) и элементов теплоэнергетического оборудования (см. рис. 1.12). Этот пример еще раз показывает^что характер про­ текания процесса упругопластического деформирования в детали рпределяется в значительной мере тепловым состоянием, режимом изменения температурного поля и концентрацией напряжений.

1.4. Схематизация и типизация режимов термомеханической нагруженности материала и элементов конструкций

В развитии циклического деформирования при неизотермиче­ ском нагружении в силу специфики эксплуатационных режимов и конструктивных особенностей детали весьма существенна роль цик­ лических термических напряжений [6, 29, 72, 100], которые усили­ вают повреждающий эффект, действуя совместно с напряжениями от механической циклической нагрузки, вызывая в ряде случаев деформирование за пределами упругости. Последний вид неизо­ термического нагружения наблюдается в поверхностных объемах деталей машин вследствие малой теплопроводности теплостойких сталей и жаропрочных сплавов, их высокого коэффициента линей­ ного расширения и больших скоростей нагрева и охлаждения аг­ регатов и оборудования.

Повторное действие нагревов и охлаждений деталей машин, вы­ зывающих в каждом цикле термические напряжения, совпадает, как правило, с пусками и остановами агрегатов и оборудования и ограничивается в большинстве случаев малым числом циклов.

34

Малоцикловое разрушение рассматриваемого вида, таким об­ разом, определяется режимом циклов нагрузки и температуры, при этом вид разрушения может быть чисто усталостный, или квазистатический (длительный статический), а также промежуточный с признаками усталостного и длительного статического типа раз­ рушения в зависимости от соотношения основных факторов: формы и длительности цикла деформирования и нагрева, максимальной температуры, амплитуды циклической упругопластической дефор­ мации [107]. Одновременное действие на детали машин циклически изменяющихся нагрузок и температур в общем случае может быть совершенно произвольным и нестационарным. Максимальные зна­ чения температуры и нагрузок могут совпадать во времени, дейст­ вовать со сдвигом по фазе, или частота приложения нагрузки мо­ жет быть отличной от частоты изменения температуры.

Причины, вызывающие циклическую нагрузку, также различны: они либо вытекают из условий обеспечения заданного процесса в машине (например, периодическое изменение давления и темпера­ туры в котле реактора [25, 85], двигателя внутреннего сгорания [106]), либо определяются характером преобразования одного вида энергии в другой.

Предельное состояние материала при неизотермическом нагру­ жении зависит от многих факторов, особенно от режимов измене­ ния напряжений и температур. Все многообразие сочетаний цикли­ чески действующих напряжений и температур практически невоз­ можно реализовать при составлении программ испытания матери­ алов или учесть в расчетах деталей машин на неизотермическую малоцикловую прочность. В связи с этим целесообразно выделить наиболее типичные сочетания режимов изменения циклических на­ пряжений (силовых, термических или суммарных) и температур. Из анализа эксплуатационной нагруженности конструктивных эле­ ментов можно выделить следующие основные режимы термомеханпческого циклического нагружения (рис. 1.19).

Режимы, показанные на рис. 1.19, а, д, сопровождаются цикли­ ческим характером изменения напряжений или упругопластиче­ ских деформаций при иостоянной температуре без выдержки (а —г, и) или с выдержкой (д —з) под нагрузкой в полуцикле рас­ тяжения или сжатия, либо в обоих полуциклах. Процесс накопле­ ния предельных повреждений и разрушения в этом случае опре­ деляется как изотермическая малоцикловая усталость.

Режимы (рис. 1.19, б, е) без выдержки и с выдержкой отража­ ют сочетание напряжений и температур,- когда в полуцикле нагре­ ва происходит растяжение, а в полуцикле охлаждения — сжатие. При этом соблюдается соответствие экстремальных значений на­ грузок и температур, синфазность и синхронность циклов нагруже­ ния и нагрева. Широко варьируется время цикла и, в частности, выдержки как при максимальной, так и при минимальной темпе­ ратуре термического цикла.

Режимы, показанные на рис. 1.19, в, ж, подобны режимам б, е, но принципиально отличаются от них тем, что в полуцикле

35

нагрева осуществляется сжатие, а в полуцикле охлаждения — рас­ тяжение.

Режимы г, з являются специфическими. Они соответствуют так называемому термоусталостному режиму малоциклового нагруже­ ния, когда контролируемым параметром является температура, а силовое (термическое) нагружение осуществляется за счет цикли-

Рис. 1.19. Схемы температурного и механического циклов неизотермического наг­ ружения материала в опасных точках конструктивных элементов

ческого теплового воздействия. В этом случае автоматически реа­ лизуется такое сочетание температуры и нагрузки, когда сжатие

пластических деформаций происходит произвольно в неконтролиру­ емых условиях. Имитация стационарного режима и соответственно длительного статического повреждения осуществляется включением в температурный цикл выдержки различной длительности tB при максимальной температуре.

По характеру реализации процесса циклического упругоплас­ тического деформирования режимы в, ж и г, з близки. Их принци-

36

пиальное различие заключается в том, что циклы нагружения и нагрева режимов в, ж являются независимыми, в связи с чем диа­ пазон вариации параметров режима нагружения и нагрева суще­ ственно шире, а потому и объем получаемых данных является бо-

Рис. 1.20. Режимы циклического упругопластического деформирования материала

вопасных точках элементов конструкций:

а— промежуточный мегцчу мягким и жестким; б — жесткий; а — мягкий

лее представительным, чем по режиму г, з, когда максимальные реализуемые деформации ограничены величиной термической де­ формации при экстремальной температуре цикла.

Указанная схематизация режимов термомеханического нагру­ жения является базой при лабораторных или стендовых испытани­

37

ях предельного состояния материала образцов и элементов конст­ рукций по условиям разрушения при проведении соответствующих экспериментов на малоцикловую (изотермическую, термическую ч н^изотермическую) усталость, а также при расчетах на проч­ ность.

Формирование предельного состояния материала в опасных зо­ нах детали (как правило, зоны концентрации напряжений) в боль­ шой степени зависит от режима малоциклового упругопластическо­ го деформирования материала, протекающего в общем случае при переменных температурах.

Связь:между напряжениями и деформациями при циклическом нагружении за пределами упругости материала определяется цик­ лической диаграммой деформирования (рис. 1.20, а), параметры которой зависят от числа циклов нагружения и их формы (часто­ та, время нагружения, выдержка, фазность периодов циклор уси­ лий и температур и др.). Диаграммы циклического деформирова­ ния при использовании деформационной теории для описания про­ цесса малоциклового и длительного малоциклового как изотерми­ ческого, так и неизотермического нагружения позволяют, непо­ средственно переходить от напряжений к деформациям и на­ оборот. " '

Как следует из приведенного выше анализа, условия цикличе­ ского нагружения элементов машин и конструкций механическими и термическими нагрузками могут быть как стационарными, так и нестационарными. В связи с работой материала при циклическом нагружении за пределами упругости и проявлением реологических свойств в общем случае даже стационарное термомеханичфжое на­ гружение детали сопровождается перераспределением напряжений и деформаций по числу циклов нагружения и во времени. Процесс деформирования может сопровождаться накоплением односторон­ них деформаций или характеризоваться чисто циклическим^ дефор­ мациями без однонаправленного прироста деформаций.

При инженерных расчетах на прочность процесс нестационар­ ного нагружения, как правило, сводится к сумме стационарных, определяемых в результате соответствующей схематизации неста­ ционарного нагружения. При этом стационарные режимы играют роль базовых.

Для понимания механизма формирования повреждений в цикле упругопластпческого деформирования и предельного повреждения плодотворным [15, 66, 85] оказывается рассмотрение крайних слу­ чаев нагружения, мягкого и жесткого. Если передача циклических усилий осуществляется при задании экстремальных перемещений (деформаций) фиксированной величины без ограничения усилий, то процесс нагружения прежде всего характеризуется размахом

упругопластической деформации e<fi) = const (рис. 1.20, б). Возни­ кающие при этом усилия SW оказываются переменными и являются функцией деформации и числа полуциклов k .Такой режим нагру­ жения называют жестким. Мягкое нагружение может быть реали-

33

зовано, если передача циклических усилий осуществляется при за­ дании экстремальных нагрузок (напряжений) без ограничения де­ формаций (рис. 1.20, в). В этом случае переменными, зависящими от числа циклов и параметров контролируемых усилий, являются

ренные режимы нагружения являются экстремальными. Характер протекания пластической деформации в конечном итоге зависит от условий передачи усилий на деформируемый объем наиболее на­ пряженной зоны детали, от распределения напряжений в нем, а также от свойств металла при неизотермических (изотермических) условиях деформирования.

Для опасных зон конструктивных элементов, по-видимому, наи­ более типичным следует считать режим нагружения, когда харак­ терные параметры процесса не остаются постоянными (S(ft)=var, e(fe)= var) вследствие упрочнения или разупрочнения материала и условий нагружения, сопровождающихся реологическими явления­ ми. Значения параметров процесса упругопластического деформи­ рования могут уменьшаться или возрастать по числу циклов и во времени (см. рис. 1.20, а).

Характерно, что при внешней стационарности теплового и меха­ нического нагружения в опасных зонах конструктивных элементов циклическое упруголластическое деформирование, как правило, про­ текает нестационарно с реализацией промежуточного (между мяг­ ким и жестким) режима нагружения, при этом вариантов нагруже­ ния может быть множество, с разной степенью проявления внутрен­ ней нестационарное™.

Из рассмотрения эксплуатационной нагруженное™ следует, что типичными примерами элементов конструкций, в которых реализуется режим нагружения, показанный на рис. 1.20, а, являются турбинные диски, элементы паропровода, котлы высокого давления теплоэнергетического оборудования, кромки и пере­ мычки охлаждаемых лопаток, зоны концентрации диска газотурбинных двигате­ лей и др.

Экстремальные режимы нагружения (мягкий и жесткий) реализуются менее часто и при соблюдении особых условий. Близкий к жесткому режим имеет мес­ то, например, в зонах резкой концентрации напряжений [17] (пазы диска турбины [10, 22, 43], кромки водовпускных отверстий паровых котлов [32, 33, 93]) в связи с тем, что размеры этих зон существенно малы по сравнению с размерами окру­ жающих объемов детали, деформирующихся в целом упруго. Другим примером такой реализации является деформирование поверхностных объемов детали при интенсивном тепловом воздействии и умеренной интенсивности циклического про­ цесса теплообмена (корпуса турбин с рабочим телом высоких параметров и др.). Режимы нагружения, близкие к мягкому, могут встречаться в элементах машин

иконструкций, в которых весьма высоки механические и термические напряжения,

врезультате чего возможно накопление односторонних циклических деформаций как в зонах концентрации, так а в зонах с номинальными напряжениями (оболоч­ ки тепловыделяющих элементов атомных реакторов, ковши металлургического оборудования, диски турбин при экстремальных режимах форсированных испытаний).

Вбольшинстве случаев при современных правилах конструиро­ вания и значениях допускаемых напряжений в изделиях машино­

39