книги / Разрушение при малоцикловом нагружении

Рис. 2.10. Схема установки для двухчастотных испытаний с большим соот­ ношением частот

мой нагрузки до 30 Гц и более) к испытательной установке серии МИР (32, 39) были разработаны и изготовлены система двухчастотпого силовозбуждепня с низкочастотным нагружением в об­ ласти малодикловой усталости и регистрацией при этом диаграм­ мы циклического деформирования и система нагрева образца. Внешний вид модернизированной установки с пультом управле­ ния ее системами представлен на рис. 2.9.

Осевое знакопеременное нагружение образца осуществляется с помощью упругих трансформаторов, преобразующих крутиль­ ные колебания в продольные перемещения [40]. Высокочастотная нагрузка создается закручивапием упругого трансформатора кривошиппым возбудителем динамических перемещений 3 (рис. 2.10),

который обладает способностью плавпого регулирования эксцент­ риситета в процессе работы и приводится во вращение асинхрон­ ным электродвигателем 4 через рычаг 9 впутренних цилиндров

можностью свободного осевого смещепия, воспринимает созда­ ваемый крутящий момепт и обусловливает тем самым продольное

41

перемещение активного захвата 11. Для создания низкочастот­

ной циклической нагрузки использован ручной привод статиче­ ского нагружения, обеспечивающий проведение усталостных ис­ пытаний при асимметричных циклах нагружения [41], который через червячный редуктор 13 (с встроенным в него кривошипным механизмом) и рычаг 10 закручивает внешний цилиндр 6, со­

здавая на образце статическую нагрузку. Для этого он оснащен электродвигателем постоянного тока 16 и дополнительным чер­ вячным редуктором 17, которые размещены на специальном кар­ касе внутри станины установки 1 на ее основании 2. Кроме

того, разработана система управления электродвигателем низко­ частотного привода, позволяющая осуществлять режимы мягкого п жесткого малоциклового программного пагружения образца с наложением на них высокочастотпой нагрузки. По своему прин­ ципу данная система аналогична использованной па программной установке для малоцикловых испытаний [32]. Основным регист­ рирующим и управляющим прибором при этом является распо­ ложенный па пульте управлепия (см. рис. 2.9) двухкоординатпый потенциометр ПДС-021, на который с тензодатчиков динамометра и деформометра поступают сигналы, по которым и осуществляется процесс управления низкочастотным приводом. Высокочастотная составляющая действующей нагрузки автоматически регулиру­ ется стабилизирующим электронным устройством [40]. Кроме этого, с помощью разработанных полупроводниковых усилителей на интегральных микросхемах возможна регистрация па экрапе катодного осциллографа полных диаграмм циклического дефор­ мирования и характера изменения усилий и деформаций во вре­ мени в процессе сложных программных режимов нагружения, которые приведены на рис. 2.11. При отсутствии низкочастот­ ного изменения нагрузки установка позволяет осуществлять как симметричное, так и асимметричное высокочастотпое пагружение с регистрацией петли упругого гистерезиса (рис. 2.11, а); а при отсутствии высокочастотной нагрузки — мягкий или жесткий' ре­ жимы малоциклового деформирования (рис. 2.11, б). В послед­ нем случае включением в работу командного управляющего при­ бора КЭП-12 треугольный цикл изменения нагрузки может быть заменен на трапецеидальный (рис. 2.11, в) с широким варьиро­

ванием времени выдержки и поддержанием при этом величины действующего усилия на заданном уровне. При необходимости проведения малоцикловых испытаний с предварительной трени­ ровкой па низких уровнях нагрузки или с предшествующим ус­ талостному высокочастотному пагружепшо циклическим упруго­ пластическим деформированием, а также при чередовании того и другого видов нагружения возможно их осуществление на дапной установке путем соответствующего последовательного вклю­ чения в работу ее высокочастотного и низкочастотного приводов (рис. 2.11, г). Это полностью устраняет «машинные» погрешности

в результате подобных испытаний, имеющие место при их про­ ведении на двух различных установках, а вместе с этим и сокра-

42

тана система радиационного нагрева образца (рис. 2.12), а также изменена конструкция захватов, выполненных из жаропрочного сплава с системой охлаждения и предусматривающих возмож­ ность компенсации температурного удлинения системы захваты - образец в процессе нагрева последнего до заданной температуры. Форма испытываемого образца принята трубчатой, что повышает его устойчивость и позволяет расположить внутри него стержне­ вой нагреватель 2, изготовленный из дисилицида молибдена и

сохраняющий свою работоспособность на воздухе при темпера­ туре на его поверхности до 1700° С. Тем самым обеспечивается диапазон рабочих температур на образце 20—1200° С. Активный 3 и пассивный 4 захваты для предотвращения перегрева элементов установки снабжены специальными каналами 5 и 6 для водяного

охлаждения, связанными между собой гибкими дюритовыми шлангами 7 и соединенными с водной магистралью. Образец закрепляется в захватах с помощью вкладышей 8 и гаек 9, также

изготовленных из жаропрочного материала. Применение сухой смазки из дисульфида молибдена в резьбовом соединении захват— гайка предотвращает схватывание в процессе работы. Закреп­ ление нагревателя, его центрирование внутри образца, а также подвод к нему электрического тока осуществляются с помощью медных водоохлаждаемых токоподводов 10, установленных в изо-

44

где е2 — поперечная деформация, определяемая через изменение диаметра образца как е2 = 1 — dkld0.

В тех случаях, когда уровни деформаций превышают указан­ ные значения, такой пересчет может дать существенную погреш­ ность, поскольку с увеличением деформации начинает увеличи­ ваться различие между деформациями, подсчитанными по зави­ симостям (2.1) и (2.2) (результаты расчета по этим уравнениям представлены на рпс. 2.14, кривые i , 2).

С увеличением уровня конечной деформации пропорциональ­ ность между продольной и поперечной деформациями все больше нарушается, причем в этом случае отношение поперечной дефор­ мации к продольной увеличивается (ц растет). Исходя из условия постоянства объема пластически деформируемого образца нетрудно показать, что связь между относительными продольными и по­ перечными деформациями при одноосном нагружении может быть

а значения коэффициента поперечной пластической деформации определяются как

Таким образом, при больших уровнях деформаций, например при квазпстатическом малоцпкловом разрушении, коэффициент поперечной деформации оказывается функцией уровня деформа­ ции, что затрудняет использовапие зависимости (2.2) для опре­

46

деления продольной деформации, а использование предельного значения р = 0,5 дает значительную погрешность в области упругопластическцх деформаций, характерных для реальных конструкций. В связи с этим при малоцикловом нагружеппи в области квазистатических и смешанных разрушении в случае измерения поперечных деформации продольные целесообразно определять пересчетом сужения образца в истинные деформации (кривая 3 на рис. 2.14):

и тарировку измерительных и записывающих средств следует осуществлять в истинных деформациях. При этих условиях нагружения измерение циклических продольных деформаций встре­ чает значительные методические трудности — оно становится воз­ можным лишь на малых базах (1—2 мм) с периодической переста­ новкой деформометра на исходную базу после достижения отно­ сительной деформации, превышающей 4%, когда равенство ис­ тинной и относительной деформаций уже не сохраняется (см. рис. 2.14). Односторонне накопленная деформация в последнем случае измеряется, как правило, в процессе деформирования и на стадии окончательного разрушения по сужению в шейке.

При жестком нагружении амплитуда упругопластнческпх де­ формаций в цикле обычно не превышает 4%, и в связи с этим база измерения продольных деформаций принимается не зависящей от уровня деформации. Однако и в случае жесткого нагружения измерение поперечной деформации вызывает определенные труд­ ности, связанные с изменением коэффициента поперечной дефор­ мации с числом циклов нагружения.

Приведенные выше зависимости коэффициента поперечной деформации р, а также связи продольных и поперечных дефор­ маций относятся к однократному статическому растяжению изо­ тропных материалов и получены исходя из условия неизменности объема при пластическом деформнровапип. При циклическом нагружении поликристаллическнх материалов, папример кон­ струкционных сталей и сплавов, с ростом числа циклов нагружения происходит «разрыхление» материала, сопровождающееся уве­ личением деформируемого объема [45, 46J. Это сказывается на величинах коэффициента поперечпой деформации и позволяет судить о степени поврежденности материала.

Опыты на аустенитной стали Х18Н10Т показали, что коэф­ фициент поперечной деформации р с увеличением уровня упру­ гопластической деформации ех возрастает как в нулевом, так и в последующих полуциклах нагружения от 0,25 до 0,5 (рис. 2.15). При разгрузке, когда доля упругой деформации уменьшается, значение р увеличивается и может превышать величину 0,6. При этом в полуциклах сжатия с накоплением числа полуцикдов коэффициент поперечпой деформации изменяется в меиыппх пределах, чем в полуциклах растяжепия. При мягком нагружении характер изменения р сохраняется.

47

При высокой температуре (650® С) упругопластпческое цикли­ ческое деформирование указаппой стали с заданной амплитудой пагрузки или деформации сопровождается, как и при комнатной температуре, изменеппсм коэффициента поперечной деформа­ ции |х. При этом максимальное значение ц не превышает 0,5 как в полуциклах растяжения, так н в полуциклах сжатия. В соот­ ветствии с опытпымн даппыми при комнатной и повышенной тем­ пературах наиболее сильное изменение коэффициента ц имеет место в первые циклы нагружения. Это обстоятельство связано с тем, что на начальной стадии упругопластнческого цикличе­ ского деформнровапия для большой группы металлов наблюдается паиболее интенсивное изменение ширины петли.

Как известно, при упругопластическом деформировании поликристаллических материалов вследствие структурной неоднород­ ности, обусловленной различной ориентацией отдельных зерен и их различными свойствами, возникает деформационная неод­ нородность [47,48). Для одного и того же материала характер неоднородности деформаций сохраняется при статическом и дли­ тельном статическом пагруженнях [49, 50]. Впутризереппая не­ однородность порождает неравномерность микродеформации па отдельных малых участках деформируемого образца. Особенности развития микродеформацнй в отдельных зопах образца имеют значение в связи с выбором метода измерения микродеформаций.

ТАБЛИЦА 2.2

Полученные данные (табл. 2.2) показывают, что осредненные деформации, измеренные на базах 5—40 мм и более, различаются несущественно; поэтому база для измерения продольных дефор­ маций па лабораторных образцах должна быть не менее 5 мм.

Указанные особенности развития деформаций и измерения коэффициента поперечной деформации в связи с условиями на­ гружения относятся к стадии деформирования до образования макротрещин. При пагружепии на стадии развития трещин де­

49

формации, измеренные на указанных выше базах, мало отражают местные деформации в вершине трещин. Способы измерения де­ формаций в окрестности трещин рассмотрены ниже.

Таким образом, особенности развития деформаций по базе образца и их уровень определяют возможность пересчета попе­ речных деформаций в продольные, а также выбор метода и средств измерения деформаций при малоцикловом нагружении.

В связп с тем что при расчетах используются средние значе­ ния деформаций п, кроме того, испытание па малоцикловую ус­ талость в жестком н мягком режимах (за исключением квазнстатнческого и смешанного типов разрушения) осуществляется, как правило, при деформациях, не превышающих 4 —5%, когда имеет место равенство истинных и условных относительных де­ формаций, в практпке экспериментальных исследований нашли применение экстензометры как для измерения продольных, так и поперечных деформаций.

Выбор методов, а также средств измерения деформаций в процессе малоцикловых испытаний имеет существеппое значение, поскольку от этого во многом зависит достоверность и качество получаемых результатов.

В практике наибольшее распространение получили тензо­ метры, измеряющие продольные и поперечные деформации об­ разцов на относительно больших рабочих базах, т. с. осредненные деформационные характеристики. Эти тензометры основаны на принципах контактного или бесконтактного (дистанционного) из­ мерения. Бесконтактные тензометры в основном используются при высокотемпературных испытаниях, так как расположение тензометра непосредственно на нагретом образце имеет определен­ ные трудности, связанные с работоспособностью его измеритель­ ных датчиков и механических систем. Контактные тензометры располагаются па самом образце и, как правило, на его рабочей части, не включающей галтели и переходные участки, с тем чтобы результаты измерений относились к равномерной дефор­ мации, хотя возможно п их включение в измеряемый участок с последующим учетом этого при обработке полученных данных.

Контакт с образцом осуществляется в указанных случаях различными способами. В одних в каждой из плоскостей контакта под углом в 120° относительно друг друга располагаются заост­ ренные наконечники (рис. 2.16, а). Другие способы основаны на

использовании острых «ножей» с вырезами под прямым углом (рис. 2.16, б) или подвижных призм (рпс. 2.16, в). Заостренная

контактирующая поверхность должпа обеспечить надежное за­ крепление тензометра на образце при возможпо мипимальпом усилпн его поджатия.

Прп измерении поперечных деформаций для осуществления коптакта тензометра с поверхностью рабочей базы используются наконечники, имеющие цилиндрическую (рис. 2.16, а), сфери­ ческую (рис. 2.16, б) или коническую (рпс. 2.16, г) форму [32—

341, как правило, для цилиндрических, плоских и. корсетных

50