книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

Более долговечным оказывается сплав ХН73МБТЮВД, располагае­ мая пластичность которого выше.

Влияние наиболее повреждающего режима нагружения и нагре­ ва можно видеть по кривым усталости 2 и 5 (рис. 2.6, а); когда су­

четкая корреляция между рас­ полагаемой пластичностью сплава при 700° С и сопротивлением ма­

лоцикловой усталости в условиях неизотермического нагружения; охрупчивание сплава при 700°С обусловливает заметное (в 2—3 раза) снижение долговечности. В то же время совпадение данных по малоцикловой неизотермической усталости (10 ... 13), получен­ ных в разных диапазонах температур термического цикла и при различных режимах программированного малоциклового нагруже­ ния, показывает, что снижение пластичности, по-видимому, не вли­ яет существенно на сопротивление малоцикловой усталости, если полуцикл сжатия соответствует высокотемпературной части терми­ ческого цикла.

Таким образом, можно утверждать, что сопротивление неизотер­ мической малоцикловой усталости определяется прежде всего сле­ дующими факторами: фазовым сочетанием циклов нагрева и меха­

51

нического нагружения, максимальной температурой термического цикла, пластичностью сплава и характером ее изменения во времени.

Малоцикловая долговечность при наличии выдержки в полуциклах неизотермического нагружения. Важным параметром режима неизотермического нагружения является длительность выдержки, в течение которой развиваются временные процессы (релаксация или ползучесть), формирующие квазистатические (длительные ста­ тические) повреждения. В связи с указанным большое число иссле­ дований [15, 17, 29, 80, 97, 109, 127, 133] посвящено изучению усло­ вий образования предельного состояния и закономерностей разру­ шения материалов при малоциклором изотермическом и неизотер­

что выдержки в полуциклах растяжения или сжатия неодинаково сказываются на условиях образования предельного состояния. Наиболее опасно сочетание циклов нагружения и нагрева с вы­ держкой по температуре и нагрузке, когда соблюдается синфазность и синхронность процесса термомеханического нагружения. Условия для активизации необратимых изменений создаются бла­ годаря тому, что временные процессы протекают, как правило, более интенсивно при упругопластическом деформировании в полуцикле растяжения в условиях высоких температур.

В условиях жесткого режима нагружения влияние временных эффектов в связи с включением выдержки в циклы температуры и нагрузки проявляется в чистом виде (рис. 2.7). Деформация растя­ жения соответствовала высоким температурам цикла нагрева (рис. 2.4, д). Хотя выдержка небольшая (до 0,5 мин), ее влияние замет­ но, особенно в режиме температур до 700° С. Поскольку минималь­

ность снижается только за счет выдержки при высоких температу­ рах в полуцикле растяжения.

Влияние формы и длительности циклов термомеханического нагружения на малоцикловую яеизотермическую прочность рас­ смотрено в работах отечественных [17, 29, 31, 54, 80, 100, 109] и за­ рубежных [120, 122, 124, 127, 128] исследователей.

На рис. 2.8 показано снижение термоусталостной долговечности жаропрочных конструкционных материалов [29] в зависимости от времени выдержки. Выдержки в 10 и 100 мин вызывают снижение термоусталостной долговечности примерно в 10 и 50 раз соответ­ ственно.

В монографиях [29, 80, 100, 109] для жаропрочных материалов приведены аналитические выражения, описывающие закономерно­ сти термической усталости при наличии выдержки, и классифика­ ция временных процессов. В результате исследований длительной термической усталости [29] установлено, что при оценке малоцикло-

52

вой долговечности следует учитывать не только число циклов, но и суммарное время работы материала в условиях высокотемператур­ ного нагружения. Выявлены режимы, соответствующие минималь­ ной термоусталостной долговечности, при которых чередование циклической и стационарной части термического цикла вызывают наибольшую скорость накопления повреждений в материале при длительном термоциклическом нагружении.

Существующая концепция неизотермической малоцикловой прочности при различных сочетаниях режимов нагружения и нагре­ ва о роли того или иного параметра режима в настоящее время базируется в основном на информации, полученной в изотермиче­ ских условиях при варьировании формой цикла нагружения [15, 90, 91, 116, 117]. Обстоятельный анализ существующего сравнитель­ но ограниченного материала по этому вопросу приведен в обзоре [90].

Наибольшие повреждения создает выдержка, реализуемая в цикле нагрузки при растяжении (режим А, рис. 2.9). Если в рас­ сматриваемый цикл нагрузки введена такая же выдержка при сжа­ тии (режим Б, рис. 2.9), то в материале (особенно при значитель­ ных амплитудах упругопластической деформации в цикле) проис­ ходит как бы восстановление исходных свойств за счет выдержки при сжатии, т. е. проявляется эффект «залечивания» длительным статическим нагружением на этапе сжатия. При наличии выдерж­ ки на этапе сжатия малоцикловая долговечность снижается мало. Сравнивая данные на рис. 2.9 с аналогичными в режиме термо­

53

усталостного нагружения, можно утверждать, что существенное сни­ жение термоусталостной долговечности (см. рис. 2.8) связано, повндимому, с неизотермичностью нагружения и значительными по­ вреждениями, накапливающимися в деформационно-стареющих ста­ лях и сплавах, при промежуточных температурах, а также за счет холодного циклического наклепа [29] при минимальной температуре термического цикла. Эффект снижения малоцикловой долговечно-

держке. В этом отношении ценная информация получена в рабо­ тах [17, 29, 120, 123, 124, 129], некоторые результаты которых пред­ ставлены на рис. 2.10, а. Наибольший повреждающий эффект при малоцикловом жестком нагружении соответствует режиму с вы­ держкой в полуцикле растяжения. Однако некоторые результаты (рис. 2.10, а), полученные в режимах с выдержкой при сжатии, не обнаруживают заметной тенденции к изменению малоцикловой дол­ говечности.

Существенное различие в степени влияния длительности вы­ держки проявляется в связи с видом испытания. В условиях цикли­ ческого изгиба при испытаниях в режиме А (см. рис. 2.9) влияние выдержки в определенной степени уменьшается за счет растяже­ ния и сжатия, чередующихся в рассматриваемом волокне в про­ цессе изменения знака напряжений при изгибе образца. Снижение малоцикловой долговечности в этом случае (по сравнению с цик­ лическим растяжением-сжатием) оказывается менее выраженным при варьировании длительности выдержки в тех же пределах.

54

С точки зрения сопоставления данных по малоцикловой проч­ ности в изотермических и неизотермических условиях представля­ ют интерес результаты исследований [97, 124, 128], основные из ко­ торых отражены на рис. 2.10, б. Аустенитную нержавеющую сталь испытывали при разных скоростях деформирования и нагрева и различных вариантах сочетания температурных н механических циклов нагружения (в том числе и на режимах А...В, рис. 2.9). Рис. 2.10, б позволяет проанализировать степень влияния выдерж-

Рис. 2.10. Влияние длительности выдержки и формы цикла нагружения на сопро­ тивление малоцикловой усталости коррозионно-стойких сталей в изотермических условиях (жесткий режим) при растяжении-сжатии (сплошные линии) и цикли­ ческом изгибе (штриховые линии) [123, 124):

ния (е=2%) при независимых циклических нагрузке и температуре 430 ... 650° С соответствен­ но без выдержки, при высокой скорости деформация с выдержкой /п= 8 мин при сжатии, с

выдержкой tD—8 мин при растяжении; 16 — малоцикловые изотермические (Г=650°С) испы­ тания без выдержки

ки в цикле неизотермического нагружения. Прямая / (линия еди­ ничного наклона) служит линией отсчета начала проявления эф­ фекта длительности выдержки. Линии справа, с меньшим накло­ ном, отражают снижение малоцикловой долговечности вследствие выдержки.

На основании имеющихся данных [95], приведенных на рис. 2.10, можно сформулировать следующие основные особенности формиро­ вания малоцикловых повреждений в жестком режиме при неизотер­ мическом нагружении:

наиболее опасно сочетание режимов нагружения и нагрева, при котором высокие температуры (с выдержкой) соответствуют де­ формированию в полуцикле растяжения; интенсивность накопле­ ния повреждений тем больше, чем выше температура и больше длительность выдержки;

при сочетании высокой температуры (с выдержкой) в полуцик­ ле сжатия как при изотермических, так и при неизотермических условиях эффект «залечивания» проявляется тем в большей степе­ ни, чем выше температура и больше время выдержки.

55

Характерно, что вследствие этого эффекта в ряде случаев обна­ руживается полное совпадение данных, при прочих равных усло­ виях, изотермических и неизотермических испытаний.

При относительно высоких скоростях упругопластического де­ формирования длительность цикла не влияет на число циклов до разрушения (прямая /). При малых скоростях деформирования без выдержки роль временных процессов на этапах нагружения и разгрузки ощутима (линия II).

Рис. 2.11. Влияние режима нагружения на сопротивление малоцикловой устало­ сти хромистой стали при Г = 600°С (а) и жаропрочной стали 12Х18Н9Т при

Т=650® С (б):

/— длительная прочность; 2 — циклическое нагружение (отнулевой цикл). /п” 12 мин; 3, 4 —

циклическое нагружение без выдержки соответственно при v=0,12 и 10 циклов в минуту; 5 — циклическое нагружение без выдержки; 6 — циклическое нагружение с выдержкой в полуцнклах растяжения и сжатия; 7 — то же, что и 2, с дополнительным высокочастотным на­ гружением на этапах выдержки

Наибольшие повреждения за счет выдержки в полуцикле растя­ жения при изотермических (точки 15) и неизотермических (точки 16) испытаниях соответствуют кривой III. Характер кривых II и III показывает, что для рассматриваемого материала может быть уста­ новлено пороговое значение длительности выдержки примерно 20 мин, после которого длительность выдержки не влияет на сопро­ тивление малоцикловой усталости. Кривая IV отражает результа­ ты испытаний, когда выдержка осуществляется и при сжатии и при растяжении в цикле одновременно. Положение кривой III по отно­ шению к кривой IV говорит об эффекте «залечивания», свойствен­ ного режиму нагружения с выдержкой в полуциклах сжатия.

Таким образом, для оценки повреждаемости материала в усло­ виях жесткого режима для изотермического и неизотермического малоцикловых нагружений необходимо учитывать влияние темпе­ ратуры и скорости деформирования на этапах нагружения и раз­ грузки, а также выдержки в полуцикле растяжения и сжатия.

Малоцикловая усталость при различной форме циклов нагру­ жения и нагрева при мягком режиме испытания. Основным факто­ ром, определяющим характер перераспределения повреждений в условиях мягкого режима и выдержек в области высоких нагрузок при повышенных температурах, является процесс монотонного на­ копления деформаций циклической ползучести, интенсивность кото­ рого в первую очередь связана с формой и длительностью цикла нагрузки и температурой. Время до разрушения материала с пони-

56

жегшем частоты и увеличением длительности выдержки при пос­ тоянной амплитуде напряжений уменьшается (рис. 2.11, а) [80]. Кривые 3 и 4 приближаются к кривой 1 при уменьшении скорости деформирования в циклах без выдержки и в еще большей степени в случае длительной выдержки при максимальной нагрузке (кри­ вая 2).

Подобные данные о влиянии формы цикла нагружения получе­ ны для стали 12Х18Н9Т в условиях симметричного цикла напряже­ ний [73]. Временные процессы на этапах выдержки (кривая 6) в области высокой температуры существенно снижают (примерно на

0,МПа

два порядка) сопротивление малоцикловой усталости по сравнению с режимом без выдержки (кривая 5). Еще больший эффект вызы­ вает сочетание высокотемпературной выдержки основной малоцик­ ловой нагрузки с одновременным наложением высокочастотных VI/V2=80 напряжений (ai/a2~2...3) в полуцикле сжатия и в полуцикле растяжения. Кривые усталости (см. рис. 2.11, б), построен­ ные по амплитуде низкочастотных напряжений для двухчастотного нагружения, расположены значительно левее одночастотной кри­ вой усталости, а кривая при нагружении с выдержками при растя­ жении и сжатии без наложения высокочастотных напряжений за­ нимает между ними промежуточное положение. Разница в долго­ вечности при одночастотном и двухчастотном нагружении в этих условиях составляет более двух порядков.

Варьирование длительности выдержки при экстремальных на­ грузках существенно влияет на сопротивление малоцикловой уста­ лости, особенно при температурах, когда скорости ползучести ма­ териала существенны. Анализ данных по малоцикловой прочности для стали 12X18Н9Т [17], приведенных на рис. 2.12, показывает, что выдержка как при растяжении, так и при сжатии значительно сни­ жает сопротивление малоцикловой усталости, и тем больше, чем дольше выдержка.

Как и при жестком нагружении, наблюдается эффект «залечи­ вания» повреждений при высокотемпературной выдержке в полуцикле сжатия, однако проявляется он в меньшей степени; соответ­ ствующие кривые при выдержке располагаются левее, а разница в данных оказывается более заметной. Причиной несоответствия в характере изменения долговечности для жесткого и мягкого режи­

57

мов от длительности выдержки является возникновение квазистатических повреждений при мягком режиме вследствие накопления односторонних деформаций, свойственного мягкому режиму нагру­ жения и проявляющегося в большей степени при наличии выдержки.

Таким образом, при мягких режимах нагружения с выдержка­ ми, с одной стороны, накапливаются односторонние необратимые деформации, формирующие квазистатические повреждения, сни­ жающие долговечность, а с другой стороны, протекает прямо про-

Рис. 2.13. Влияние формы цикла и длительности выдержки (мягкий режим) на сопротивление малоцикловой усталости жаропрочных сплавов ХН51ВМТЮКФРВД, 7 = 950° С (а) и Х77ТЮРБ, 7=700° С (б):

тивоположный процесс «залечивания» дефектов и структурных изменений, увеличивающий долговечность. Сочетание указанных факторов определяет эффект влияния выдержки.

Например, для стали 12Х18Н9Т (см. рис. 2.12) условия термомеханического нагружения были таковы, что эффект «залечивания» вследствие выдержки в полуцикле сжатия нс компенсировал квазистатические повреждения, наводимые про­ цессом накопления односторонних деформаций.

Включение выдержки в полуцикл растяжения сплава ХН51ВМТЮКФРВД [78] вызывает существенное снижение малоцикловой долговечности (рис. 2.13, а), да­ же при короткой выдержке (около 0,5 мин). Увеличение длительности выдержки до 25 мин вызывает дальнейшее снижение малоцикловой долговечности (пример­ но на два порядка). Это, по-видимому, связано с интенсивным накоплением квазистатических повреждений, доля которых в таких условиях значительна вследст­ вие одностороннего накопления деформаций на этане растяжения.

Контрастные данные, характеризующие степень влияния вы­ держки на малоцикловую долговечность, получены для сплава ХН77ТЮРБ при температуре 700° С в условиях симметричного цикла нагружения (рис. 2.15, б). Если выдержки различной дли­ тельности (до 18 мин) в полуцикле сжатия сравнительно мало ска­ зываются на сопротивлении малоцикловой усталости сплава (кри­ вая 6), то те же выдержки в полуцикле растяжения вызывают сни­ жение предельного числа циклов примерно на 1,5 порядка. При оценке этих результатов следует иметь в виду, что сопротивление длительному статическому разрушению жаропрочных сплавов при сжатии примерно в 2 раза выше, чем при растяжении [29, 100], и,

58

кроме того, при температуре 700°С активно протекает процесс «залечивания». В итоге при малоцикловом испытании с выдержкой при сжатии число циклов до разрушения мало зависит от длитель­ ности выдержки.

Процессы формоизменения рабочей части образца в режиме малоциклового нагружения с выдержкой при сжатии протекают неодинаково, в зависимости от длительности выдержки. С увели­ чением ее процесс одностороннего накопления деформаций с вы-

раженной локализацией зоны деформирования в центральной час­ ти корсетного образца переходит в ярко выраженную форму с на­ личием двух характерных шеек. Однако предельное состояние по образованию трещины формируется в центральной зоне образца как в шейке (при малой выдержке), так и в бочке (при большей выдержке); при этом форма и расположение трещин указывают на то, что разрушение произошло в результате деформационных процессов.

Форма цикла нагружения н нагрева при мягком режиме испы­ таний сильно влияет на особенности накопления односторонних деформаций. Интенсивность деформационных процессов (рис. 2.14), сопутствующих малоцикловому нагружению в изотермических и не­ изотермических условиях, зависит от формы циклов механического нагружения и нагрева, а также от их сочетания (рис. 2.14, б). Если ширина петли упругопластического гистерезиса с увеличением чис­ ла циклов для разных режимов примерно постоянна, то ее значе­ ние в цикле определяется при режиме, когда полуциклы растяже­ ния и сжатия реализуются соответственно при максимальной и мини­ мальной постоянных температурах цикла. Процесс развития одно­ стороннего формоизменения с большей интенсивностью происходит

59

в неизотермическом режиме термомеханического нагружения (ре­ жим С). Предельное значение накопленной деформации в момент разрушения оказывается значительно выше, чем при изотермиче­ ском режиме А. Указанные особенности необратимых изменений в процессе циклического упругопластического деформирования опре­ деляют квазнстатические повреждения.

В случае испытания хромистой стали на режимах, соответству­ ющих данным рис. 2 .1 1 , а, также происходит одностороннее накопле­ ние деформаций циклической ползучести (рис. 2.14, в). Особенно быстро деформации накапливаются в режиме длительного стати­ ческого нагружения; при циклическое нагружении с высокой час­ тотой без выдержек этот процесс протекает менее интенсивно. Из данных, приведенных на рис. 2.14, в [17], следует, что значение на­ копленной деформации циклической ползучести на стадии разру­ шения для данного напряжения ( а т а х = 390 МПа) является относи­ тельно постоянным, хотя время до разрушения может быть различ­ ным. Это, по-видимому, связано с режимом термомеханического нагружения (отнулевой цикл) и механизмами формирования необ­ ратимых изменений в структуре материалов для данного и симмет­ ричного (рис. 2.14, б) режимов малоциклового деформирования. Однако малоцикловая долговечность и в этих условиях (см. рис. 2 .1 1 , а) существенно зависит от формы и длительности циклов на­ гружения и нагрева.

Таким образом, роль односторонне накапливаемой деформации

от температуры, длительности выдержки и асимметрии цикла отно­ сительная доля длительного статического и усталостного повреж­ дения может быть различной.

Накопление квазистатических повреждений характерно и для других, нежестких, режимов неизотермического нагружения, напри­ мер в случае термической усталости. Термоусталостное нагруже­ ние, как известно, осуществляют в результате стеснения темпера­ турных деформаций зажатого между двумя жесткими плитами об­ разца, Q режим деформирования определяется нагревом и охлаж­ дением образца в заданных контролируемых интервалах темпера­ тур. Режим циклического упругопластического деформирования при термоусталостном нагружении является наиболее представи­ тельным, поскольку он является промежуточным между мягким и жестким с явной кинетикой односторонней и циклической упруго­ пластической деформациями в заданном диапазоне темпера­ тур [29].

На рис. 2.15 представлены основные зависимости, получаемые при испытаниях на термическую усталость по методике варьируе­ мой жесткости нагружения с автоматической регистрацией быстропротекающих процессов циклического упругопластического дефор­ мирования и одностороннего накопления деформаций. Кривые 1...3 термической усталости, построенные в амплитудах полной про­ дольной деформации в зоне разрушения (для 50%-ной вероятности

60