книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

разрушения), в определенной степени отражают сопротивление термической усталости в связи с формой и длительностью терми­ ческого цикла, а также с учетом пластических свойств исследуе­ мых сплавов. Для сплава ХН73МБТЮВД выдержка при макси­ мальной температуре цикла снижает долговечность при одинаковом фиксированном значении размаха упругопластической деформации (кривые 1, 2). Эффект выдержки для сплава ХН51ВМТЮКФР не обнаруживается: данные термической усталости с естественным разбросом укладываются на общую кривую 3.

Рис. 2,15. Кривые усталости (1 ... 3) и накопление односто­ ронней деформации (4 ... 6') по

Расположение кривых термической усталости коррелирует с характеристиками прочности и пластичности исследуемых сплавов при соответствующих температурных режимах. При малых числах циклов (iV/<3-102), когда пластическая деформация в цикле зна­ чительна и существенна ее роль в формировании предельных по­ вреждений, менее прочным оказывается и менее пластичный сплав ХН51ВМТЮКФР (долговечности различаются в 2 . . . 8 раз). При больших числах циклов, когда пластическая деформация в цикле мала, более прочным оказывается менее пластичный сплав ХН51ВМТЮФР, имеющий более высокие характеристики кратко­ временной и длительной прочности при данных условиях испы­ тания.

Термоусталостному нагружению, как показывает анализ ре­ зультатов испытаний [29, 50, 55] и поведение элементов в таких условиях [9, 13, 43, 130], присущи характерные особенности: нестационарность процесса циклического упругопластического деформи­ рования образца и накопление с числом циклов односторонней де­ формации растяжения и сжатия (кривые 4...6) вследствие формо­ изменения рабочей, части (рис. 2.15). Указанные закономерности для исследуемых сплавов, полученные путем соответствующих из­ мерений в зоне разрушения («шейка»), представлены в виде кри­ вых 4, 5, 6 на рис. 2.15.

В условиях большой жесткости нагружения и значительной вы­ держки возможно (в диапазоне до Л//=103) накопление перед раз­ рушением в процессе циклического неизотермического нагружения

61

деформаций, близких к деформациям при статическом разрыве (ха­ рактер циклического разрушения квазистатический или длительный статический). При А-"> 10а преобладает усталостный характер цик­ лического разрушения.

Выдержка, интенсифицирующая процесс одностороннего накоп­ ления деформаций, существенно проявляется на высокопластич­ ном сплаве ХН73МБТЮВД (кривые 4 и 5, рис. 2.15); число циклов при достижении одинаковой^гакопленной деформации может сни­ зиться в 2...5 раз. В менее пластичном сплаве ХН51ВМТЮФР влия­ ние длительности выдержки на характер необратимого формоизме­ нения выражено слабо, видимо вследствие меньшего охрупчивания сплава при длительном статическом нагружении [56].

Таким образом, кривые термической усталости в амплитудах пластической деформации (см. 2.15) не могут служить основой для корректной оценки термопрочиости исследуемых сплавов, посколь­ ку они не учитывают долю предельных квазистатических повреж­ дений, накапливающихся в материале в силу специфики процесса упругопластического деформирования при термоусталостном на­ гружении.

Существование наиболее опасных режимов неизотермического нагружения требует определенной осмотрительности при оценке термопрочности конструктивных элементов из жаропрочных сплаввов по данным термоусталостных испытаний, поскольку режим испытаний не выявляет минимальное значение сопротивления малоцикловому неизотермическому нагружению. Термоусталостные испытания с высокотемпературными выдержками при сжимающих нагрузках могут дать завышенную оценку долговечности, если рас­ считываемые на прочность зоны конструктивного элемента работа­ ют в условиях неизотермического малоциклового нагружения при сочетании растяжения с максимальной температурой цикла.

Таким образом, при оценке прочности конструкций, работающих в условиях термоусталостного и неизотермического малоциклового нагружения, необходимо располагать соответствующими данными о долговечности, в том числе и для максимально повреждающих неизотермических режимов.

2.2. Закономерности разрушения при малоцикловом неизотермическом нагружении

Зависимости, определяющие условия формирования предельного состояния материала в опасных зонах детали. Одним из важных направлений исследований малоцикловой неизотермической проч­ ности является изучение условий формирования предельного со­ стояния материала в опасных объемах детали. Эту задачу следует рассматривать в комплексе исследований, проводимых, с одной стороны, с целью обоснованного выбора критерия малоцикловой прочности, а с другой, изучения закономерностей для аналитиче­ ского описания процесса достижения предельного состояния по ус­ ловиям разрушения в зависимости от режимов термомеханическо­

62

го нагружения, свойств материалов и вида напряженного со­ стояния.

Основная цель исследования малоцикловой прочности материа­ лов заключается в установлении функции yV = /(ep, е, Tmax, Tmln, Д,

Ф , <Тв, V . . . ) .

деформирования. Каждый цикл процесса упругопластического де­ формирования может быть охарактеризован одним из следующих параметров: пластической или упругопластической деформацией; напряжением в цикле или полуцикле нагружения либо удельной энергией, необратимо рассеиваемой за цикл и определяемой пло­ щадью петли упругопластического гистерезиса. Выбор параметра для характеристики процесса деформирования и достижения пре­ дельного состояния по условиям прочности материала определяется с учетом режима термомеханнческого нагружения.

Достаточно общие выводы о закономерностях малоциклового разрушения, ио-видимому, можно получить на базе энергетической концепции условий образования предельного состояния, которая в принципе может описать условия образования предельного со­ стояния при различных режимах малоциклового нагружения в со­ четании с циклическим нагревом [80].

Площадь петли циклического упругопластического деформиро­ вания (рис. 2.16) интегрально учитывает изменения, которые про-

63

исходят в характеристиках процесса деформирования в результате подвода энергии вследствие внешнего термомеханического нагру­ жения. Основная задача исследований малоцикловой прочности с энергетических позиций заключается в определении критического значения накопленной энергии или ее части, которое является инва­ риантным к условиям термомеханического нагружения, однозначно характеризует предельное состояние и является критериальным в установлении корреляции между этой характеристикой процесса циклического деформирования и. энергией деформирования при статическом разрушении, определяемой площадью диаграммы растяжения.

Значение накопленной суммарной энергии к моменту цикличе­ ского разрушения не является величиной постоянной и существен­ но превышает энергию статического разрушения [29, 80, 87].

Закономерности малоцикловой усталости при неизотермиче­ ском нагружении с энергетической позиции приведены в работе [80]. Сталь 12Х18Н9Т, сплав ХН80ТБЮ, а также аустенитно-фер­ ритную сталь испытывали при жестком режиме нагружения в ин­ тервале температур, при которых свойства материалов стабильны, так что петля упругопластического гистерезиса оказалась замкну­

от основных характеристик процесса малоциклового нагружения и нагрева. Это позволило аналитически описать площадь замкнутой петли гистерезиса и определить количество энергии, рассеиваемой в единице объема материала за цикл, по числу циклов и к момен­ ту разрушения.

Для режима термоусталостного нагружения с выдержкой при Ттал количество необратимо поглощаемой энергии зависит как от физико-механических характеристик материала, температурного режима, так и от времени выдержки при максимальной температу­ ре цикла: Реализация этой закономерности для стали 12Х18Н9Т показана на рис. 2.16, б.

Для режимов термоусталостного нагружения без выдержки при

ниченном числе экспериментальных данных.

64

Из уравнения (2.1) и рис. 2.17, а, следует, что для деформаци­

онно упрочняемых материалов полная накопленная энергия не яв­ ляется постоянной, поскольку 0 < т * < : 1 -

Рис. 2,17. Зависимость полной энергии (а) и энергии деформационного упрочне­ ния (б), рассеиваемой в единице объема материала за цикл, от числа циклов до разрушения:

1, 2 - сталь 12Х18Н9Т, Гер=400 и 500° С соответственно; 3 — ХН80ТБЮ, /ср-400°С; 4 — аус­ тенитная коррозионно-стойкая сталь, 7'ср=400° С

где р и g — характеристики пластичности материала, зависящие от физико-меха­ нических свойств материала и параметров теплового режима, определяемые в ре­

Хотя закономерность получена для специфических условий не­ изотермического нагружения (за счет термоцнклирования), она

65

отражает ряд общих факторов. Из приведенной зависимости следу­ ет, что Nf зависит от многих факторов: параметров режима термо­ усталостного нагружения (р, g, AT, k, rj), жесткости (К), физико­ механических характеристик материала (а, т) . Термоусталостная долговечность коррелирует с характеристиками пластичности [на­ пример, бв(Т)], учет которых осуществляется интегрально в иссле­ дуемом диапазоне температур.

На основании обобщения результатов исследования жаропроч­ ных сталей в режиме термоциклйческого нагружения при рассмот­ ренных выше ограничениях в качестве инвариантной характеристи­

Данные, представленные на рис. 2.17, б, показывают хорошее соответствие между расчетом (линии) и экспериментом (точки) для контрастных по физико-механическим свойствам материалов.

В случае малоциклового нагружения целесообразно [8 6 , 87] раз­ дельно рассматривать составляющие полной энергии: энергию де­ формационного упрочнения, определяемую площадями АВС и EPG петли гистерезиса (рис. 2.18, а), и энергию пластического деформи­ рования <7пл= <7з+ ?4, определяемую площадями OACD и DEGF.

66

В работе [87] наличие инвариантного энергетического параметра связывают с циклическим эффектом Баушингера и обосновывают условие достижения предельного состояния материала при произ­ вольном режиме малоциклового нагружения на базе энергии пла­ стического деформирования с учетом обратимости пластической де­ формации (в полуцикле сжатия, рис. 2.18, а). На основе этой кон-

Рис. 2.18. Схема выделения разрушающей доли энергии в цикле (а) и зависи­ мость ее значения от числа циклов нагру­ жения (б):

низколегированная конструкционная сталь элект-

рошлакового переплава; 6 — высокопрочный алю­ миниевый сплав

цепции критериальное условие наступления предельного состояния Q / Q CT = 1 записывают следующим образом:

Справедливость критериального уравнения проверяли на раз­ ных материалах при постоянных температурах. Результаты обра­ ботки экспериментальных данных показали, что имеется хорошее соответствие расчетных и опытных данных (рис. 2.18, б), лишь в отдельных случаях отклонение от среднего значения достигало 50% (это свойственно конструкционным материалам в состоянии по­ ставки).

Критериальное уравнение (2.8) после преобразований, учиты­ вающих зависимость циклического эффекта Баушингера от условий малоциклового нагружения, имеет вид

67

или, полагая в первом приближении а^/а^1 = \ записывается в относительных величинах:

(2. 10)

Для жесткого режима

Уравнение (2.10) по существу показывает соотношение предель­ но накопленных усталостных (первое слагаемое) и квазистатических (второе слагаемое) повреждений, а также описывает кинетику накопления повреждений при произвольном режиме малоциклового деформирования.

Существенно, что уравнения (2.9 )и (2.10) в определенной мере

риала для любого режима малоциклового нагружения. В частности, при жестком нагружении для стабильных конструкционных мате­

риалов (&Расг= 8 сж = ер, а^/^.ц = 1) уравнение кривой малоцикло­ вой усталости имеет вид (72]

( 2. 12)

Рассмотренная концепция предельного состояния при малоцик­ ловом нагружении дает возможность получить и при мягком на­ гружении единую кривую

единой кривой усталости при жестком и мягком режимах нагруже­

материала при малоцикловом нагружении может дать достаточно полную информацию о закономерностях формирования предельно­ го состояния.

68

Однако использование энергетических трактовок для практиче­ ских оценок прочности является ограниченным. Это связано с труд­ ностями точного описания диаграммы циклического деформирова­ ния, определяющими погрешность при определении энергии мало­ циклового разрушения, а также наличием большого числа пара­ метров.

Рис. 2.19. Единая кривая усталости для жесткого (а) и мягкого (сталь 15Х2МФА,

из опытов на растяжение-сжатие при упрощенных режимах мало­ циклового нагружения, которые дополняют параметрами, учиты­ вающими основные особенности неизотермичности нагружения.

В условиях постоянных умеренных температур, когда сущест­ венно не проявляются временные эффекты, условия разрушения при жестком режиме малоциклового нагружения характеризуются кривыми усталости в полных деформациях

Уравнение (2.15) достаточно гибко описывает условие разруше­ ния за счет раздельного учета пластической (первое слагаемое) и упругой (второе слагаемое) составляющих полной деформации в широком диапазоне чисел циклов (Ю'.ЛО5), при этом для разных материалов наклоны кривых усталости т = —0,6; п= —0,12. Основ­ ные параметры уравнений (2.15) и (2.16) представляют собой ха­ рактеристики, получаемые в опытах на растяжение, например е/=

—1п[1 /( 1 —ф)] — пластичность при постоянной температуре. Уравнение (2.14) используют для описания результатов испы­

тания жаропрочных сплавов в условиях термоусталостного режима

6 9

без выдержки (28, 29, 100], в основном при 101... 10 3 циклах. Однако параметры т\ и Ci меняются в широких пределах [29] и существен­ но зависят от параметров режима термоусталостного нагружения, характеристик длительной прочности и пластичности исследуемых материалов в диапазоне температур термического цикла. Однако для жаропрочных материалов одного класса (деформируемых или литейных) можно записать [31, 3^]'

Для деформируемых материалов с высокой пластичностью име­ ется хорошее соответствие расчетных (сплошная линия) и опытных данных (рис. 2.20). Экспериментальные точки располагаются в

Рис. 2.20. Связь термоусталосгной долговечности с характеристиками кратковременной прочности сталей

I2X18H9T (/) и 37Х12Н8Г8МФБ (2) при Гтах = 700° С; ХН70ВМТЮ (3 ) и

ХН62МВКЮ (4) при 850° С; ХН77ТЮ Р (5) при 800° С

достаточно узкой зоне с разбросом по долговечности в пределах одного порядка (mi = 0,7; Л* = 3,5).

Влияние неизотермичности при сложных программах малоцик­ лового нагружения и нагрева в конечном счете связано с измене­ нием прочностных и пластических свойств исследуемого материала в условиях высокотемпературного длительного нагружения. Име­ ются предложения [26, 29] распространить уравнение (2.15) на слу­ чай жесткого режима неизотермнческого нагружения за счет введе­ ния характеристик длительной прочности [а(Т, t)] и пластично­ сти ф(Г, t) вместо Ов, ф, взятых при максимальной температуре цикла. В этом случае уравнение (2.15) записывают в виде

Функции, отражающие длительность циклического деформиро­ вания, можно выразить в известной форме [26] а(Т, t) а ф(7, t) =ф0t~Vh, где (С, т) и (ф0, h) —параметры кривых длитель­ ной прочности и пластичности соответственно. Выражая время цик­

Этот подход был проверен для случая термоусталостного режи­ ма малоциклового нагружения без выдержки на жаропрочных спла­

70