книги / Разрушение при малоцикловом нагружении

плитуде <ja = 240 МПа наблюдался наименьший размер карбид­ ных частиц, равномерно распределенных по всему объему материа­ ла в зоне разрушения. Нагружение с малыми амплитудами нагруз­ ки (длительные времена) приводит при одночастотпом пагруженни к дроблению карбидов (рис. 5.13), как и при больших уровпях нагрузки, и к растворению, приводящему к увеличению степени искажения кристаллической решетки с ростом вр&шни нагруже­ ния. При этом наблюдался вязкий излом в зопе разрушения.

Следует ожидать, что дальнейшее увеличение времени нагру­ жения (уменьшение нагрузки) приведет к росту размера частиц и охруПчивапию материала. При малых уровнях нагрузки дефор­ мационное старение уже в мепыпей мере интенсифицируется де­ формацией, поскольку опа мала, п определяется в осповном вре-

181

менем нагружения. Однако в этом случае также следует считаться п с влиянием малых деформаций в течение длительного цикличе­ ского нагружения на развитие деформационного старения.

При нагружении с выдержками в течение 5 мин на экстремаль­ ных значениях нагрузки значительная доля деформации в полуцикле получается за счет ползучести в процессе выдержки, ит например, прп оа = 240 МПа ширина петли гистерезиса на ста­

дии насыщения после упрочнения на первой стадии деформиро­ вания почти в 3 раза больше, чем при одночастотном нагружении (рпс. 5.10 и 5.8). При этом и односторопне накопленная деформа­ ция к моменту разрушения существенно превышает деформацию одночастотного нагружения, которая в последнем случае опре­ делялась в основном деформацией, накопленной в первом цикле нагружения: если при мопогармоническом пагружении предельно накопленная деформация составляла около 3% , то при нагружении с выдержками она была равна 12%. Различие в деформационных характеристиках было обусловлено различием в характере про­ текания структурных изменений при указанных видах нагру­ жения.

Как видно из рис. 5.11, б; 5.12, б, при больших уровнях на­ грузки при деформировапии с выдержками происходит дробле­ ние и растворение карбидов: размер и количество карбндпых частиц уменьшаются, по при этом увеличивается степень тетрагональности решетки (рис. 5.11, а и 5.12, а). С уменьшением

182

уровня нагрузки до 260 МПа наблюдается рост размера и коли­ чества карбидных частиц. Увеличепие размера частиц привело> к росту микроискажений решетки (рис. 5.11, а и 5.12, а). Даль­

нейшее понижение уровня нагрузки резко снизило количество частиц за счет их коагуляции в частицы больших размеров, которые вызвали сильное искажение кристаллической решетки. Рост раз­ мера частиц, как и в случае нагружения без выдержек, вызвал охрупчивание материала, и при оа = 240 МПа имел место хруп­ кий излом, в то время как при оа = 280 МПа он был хрупко­ вязким. Снижение амплитуды напряжения до 215 МПа сопровож­ далось еще большим увеличением размера частиц и микронапряжепнй, вызвавших сильное искажение кристаллической решетки. Однако в последнем случае излом был вязкий, поскольку, хотя размер карбидов и был больше, чем при <та = 240 МПа, когда наблюдался хрупкий излом, их расположение было сравнительно равномерным как по телу, так и по грапицам зерен, в то время как при оа = 240 МПа карбиды располагались преимущественно по границам зерен, что и привело к их охрупчиванию.

В случае испытаний с наложением амплитуды пагрузки вто­ рой частоты в процессе выдержки происходит енльпое разупроч­ нение материала (увеличение ширины петли гистерезиса) при больших уровнях пагрузки л более сильное — при малых уров­ нях, чем при нагружении с выдержками без наложения высоко­ частотной нагрузки (рис. 5.9). При са = 240 МПа в процессе

двухчастотного нагружения упрочнение было даже меньшим, чем при нагружении с выдержками. При малых уровнях пагрузки наряду с сильным упрочнением на пачальпой стадии деформиро­ вания имело место также более интенсивное, чем при нагружении с выдержками, разупрочнение материала (ширина петли гисте­ резиса увеличивается сильнее). Что касается односторонне на­

С момента появления первых мнкротрещип на поверхности образца начинается интенсивное накопление остаточных деформаций в сторону растяжения (рис. 5.9).

Как и в случае моногармонического нагружения, при двух­ частотном имеется оптимальный уровень пагрузки и времени деформирования, когда размеры карбидных частиц достигают максимального значения (рис. 5.11 и 5.12). При низких ампли­ тудах напряжения размер частиц уменьшается, по возрастает их количество. Искажение кристаллической решетки особенно значительно при больших уровпях напряжений, когда велик раз­ мер выпадающих карбидных частиц. С уменьшением уровня нагрузки искажение кристаллической решетки сначала падает, а затем с ростом времени нагружепия начинает увеличиваться. Максимальное количество частиц наблюдалось при напряжепии о0 = 215 МПа (рис. 5.11, в и 5.12, в). После нспытапия при а„ =

= 280 МПа в стали Х18Н10Т была обнаружена большая плот­ ность дислокаций возле мелкодисперсных выделений. Кроме того,

184

имелись крупные выделения карбидов кубической формы раз мером около 0,3 мкм, распределенные неравномерно. Расчет мнкродифракциониых картин, снятых с выделений, показывает, что эти выделения являются карбидами МеС и МегзС6. имеющими

приводит к измельчению карбидов и к их перераспределению. При этом средний размер частиц составлял около 0,02 мкм.

Апализ дисперсных частиц, выявленных в зоне разрушения химическим травлением, показывает, что при меньших ампли­ тудах двухчастотного нагружения стали Х18Н10Т при 650° С образуются более мелкодисперсные выделения, равпомерпо рас­ пределенные по всему объему материала в зоне разрушения.

С помощью мпкрорентгеноспектралыгого анализа исследовано также распределение основных карбндообразующпх элементов {С, Ti, Сг и Ni) в образцах стали Х18Н10Т в исходном состоянии

и разрушенных образцов. Было установлено, что распределение хрома н железа при рассмотренных режимах и временах нагру­ жения не претерпевает существенных изменений в процессе мало­ циклового деформирования с наложением нагрузки повышеппой частоты с нагревом до 650° С. Титан при больших амплитудах напряжений перераспределялся в приграничные области, а при малых амплитудах (больших временах нагружения) этот эле­ мент перераспределялся в виде полос.

Таким образом, деформационное старение аустенитной стали Х18Н10Т при повышенной температуре сопровождается выде­ лением и перераспределением легирующих элементов в теле н по границам зерен с образованием карбидов МеС н Ме*пС6.

С увеличением длительности нагружения превалирующим явля­ ется первый тип карбидов. Кроме того, в процессе длительного нагружения происходит выпадение из раствора и коагуляция других легирующих элементов, в особенности титана, который под действием нагрузки и повышеппой температуры перераспре­ деляется в виде отдельных полос с повышеппой концентрацией титапа.

Процесс структурных изменений инициируется, с одной сто­ роны, действием нагрузки (деформации), с другой — температуры. Степень завершенности процессов выпадения частиц в связи с этим определяется временем нагружения и величиной пагрузки (деформации). При больших уровнях деформации протекает ин­ тенсивное карбндообразование с коагуляцией частиц по границам зереп. Однако времени оказывается недостаточно, чтобы прошло полное охрупчивание границ, и в этом случае наблюдается хрупко­ вязкий излом. При малых уровнях нагрузки процесс выпадения новой фазы определяется в основном температурно-временными условиями и воздействие деформации оказывается меньшим, чем в первом случае. Времена испытания, которые имели место в даипых исследованиях при низких нагрузках, были недоста­ точны, чтобы полностью завершился процесс коагуляции частиц

185

рабочих систем (например, давлении) чаще реализуется жесткое нагружение в силу стесненпостн пластической деформации в местах концентрации напряжений, в вершине дефекта или рас­ пространяющейся трещины. В связи с этим, как правило, имеют дело с отрицательными эффектами, вызванными деформацион­ ным старением материала в условиях длительного температурносилового пагружепня [70].

Для сопоставления характера развития деформаций при двух­ частотном мягком нагружении с наложением высокочастотной составляющей более высокой частоты были проведены испытания с соотношением частот to2/cox = 18 000 и формой цикла, анало­ гичной испытаниям с соотношением частот ш2/coj = 80. При этом использовалась установка для высокотемпературных двухчастотпых программных испытаний с большим соотношением частот 139, 41]. Трубчатые образцы испытывались при Т — 650° С. Время

выдержки, в течение которого действовали динамические напря­ жения <J„J = 60 МПа с частотой Юо = 30 Гц, в полуцнклах рас­ тяжения и сжатия составляло т = 5 мин. Характер изменения параметров диаграмм циклического деформирования в указанных условиях представлен на рис. 5.14. Как видно, он в основном подобен изменению соответствующих характеристик при нагру­ жении с меньшим соотношением частот (рис. 5.9). Как и в по­ следнем случае, полная ширина петли гистерезиса 6 после умень­ шения в первые циклы нагружения за счет упрочнения материала в дальнейшем стабилизируется, а затем начинает увеличиваться (рис. 5.14, а), но интенсивность расширения петли в этом случае

существенно ниже, чем при нагружении с оь/мх = 80. Активная же составляющая циклической пластической деформации вплоть до разрушения остается на установившемся уровне для всех зпачений нагрузки. В этой связи увеличение с числом циклов полной ширины петли следует отнести за счет деформации цикли­ ческой ползучести ех, которая также непрерывно увеличивается после начальной стадии нагружения (рис. 5.14, б). Если срав­

нивать двухчастотное нагружение с со2/сох = 1S 000 и нагруже­ ние с трапецеидальной формой цикла, то можно отметить мень­ шие значения ех для случая действия в течопне выдержки высо­ кочастотных напряжений (рис. 5.14, б). С уменьшением соот­ ношения частот до (Bo/wx = 80 величина деформации ех (рис. 5.9, г)

приближается к соответствующей деформации для нагружения с выдержками без наложения высокочастотной составляющей (рис. 5.10, г), что может быть объяснено увеличением времени пребывания материала на максимальном уровне напряжений с уменьшением соотношения частот. Вместе с тем наблюдаемое увеличение деформации ех на заключительной стадии нагруже­

ния, обусловливающее расширение полной петли гистерезиса б, объясняется усталостным повреждением материала от высоко­ частотной составляющей напряжений, которое увеличивает ско­ рость циклической ползучести н сокращает время до разрушения 7701. Дополнительным усталостным повреждением материала от

187

высокочастотной составляющей объясняется и прогрессирующее' с числом циклов нагружения одностороннее накопление пласти­ ческих деформаций (рис. 5.14, б), характер которого подобен двухчастотному нагружению с меньшим соотношением частот (рис. 5.9, б).

Для исследования сопротивления деформированию материала при жестком нагружении были проведены также испытания стали Х18Н10Т при Т = 650° С в режимах одночастотного и двухчас­

тотного нагружений без временных выдержек, в которых поддер­ живались постоянными амплитуды низкочастотной и высокочас­ тотной составляющих деформации. Частота упругопластнческого* пизкочастотпого нагружения o)i = 1 ц/мин, а высокочастотного — о)2 = 30 Гц, что соответствовало соотношению частот склады­ ваемых гармоник (Oo/tOi = 18 000. Испытания осуществлялись при одиочастотпом малоцикловом и двухчастотпом нагружениях с наложением высокочастотной деформации еа., = 0,025% (ампли­ туда высокочастотных напряжений аа, = 30 МПа), а также е„. =

= 0,045% (а„, = 60 МПа).

Кривые изменения максимальных напряжений oamax и ширины петли пластического гистерезиса б в процессе нагружения для данных режимов приведены на рис. 5.15. При одиочастотпом нагружении с заданной амплитудой максимальной упругопластической деформации еашах» как видно из рис. 5.15, а, на началь­ ной стадии (до N lN p x z 0,15) происходит интенсивное упрочнение-

материала, выражающееся в повышении амплитуды напря­ жений в циклах и уменьшении циклической пластической дефор­ мации б, а затем наступает стадия их стабилизации, продолжаю­ щаяся вплоть до появления микротрещины размером 2—3 мм, когда начинается резкое падение нагрузки. Из полученных дан­ ных следует, что сопротивление деформированию стали Х18Н10Т' при жестком одпочастотном нагружении и Т = 650° С, харак­

теризуемое в первую очередь кинетикой циклической пластиче­ ской деформации, па начальной стадии подобно мягкому нагру­ жению материала в аналогичных условиях. С увеличением доли относительной долговечности наблюдается некоторое их разли­ чие, выражающееся в увеличении при мягком нагружении вели­ чины б (переход материала к разупрочпепшо), что связано, повидимому, с наличием квазистатнческого повреждения, которое отсутствует при жестком нагружении, когда б после стабилиза­ ции остается постоянной.

Наложением на низкочастотную упругопластнческую дефор­ мацию высокочастотных колебаний eat = 0,025% (что составляет

5—8% от максимальной амплитуды деформаций или по напря­ жениям 11—13% от их максимальной велнчнпы на стадии стаби­ лизированного нагружения) приводит к увеличению степени упрочнения материала, отражающегося па повышении амплитуд, максимальных напряжений (рис. 5.15, б), по сравнению с одночастотпым нагружеписм (рис. 5.15, а) при одинаковых размахах

максимальной деформации. Вместе с этим, как видно на

188

Puc. 5.15. Изменеппе ширины петли и напряжений при жест­ ком одночастотном (а) и двухчастотном (б) нагружении стали Х18Н10Т при 650° С

рис. 5.15, б, при действии высокочастотной составляющей увели­

чивается и продолжительность стадии исходного упрочпепия, которая в этом случае составляет величину N/Np ^ 0,25, а также

происходит сокращение периода развития усталостной трещины до 0,25—0,15 от общей долговечности. Увеличение амплитуды высокочастотной деформации до еа, = 0,045% (8—25% от еотах

и 18—20% от Нотах) еще больше сокращает период развития макротрещпны до значений 0,1—0,05 от Np (рис. 5.15, в). Кроме

190