книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

перимент, в котором механическая усталость при переменных температурах сравнивалась с термической усталостью, описан­ ной Балдвином, Соколом и Коффином в работе [5.2]. Усталост­ ные испытания проведены при нескольких постоянных высо­ ких температурах при механическом нагружении, и результаты сопоставлены с результатами испытаний на термическую уста­ лость, в которых температура изменялась в значительных преде­ лах. Результаты приведены на рис. 5.6 и представлены в виде зависимости циклической долговечности от измеренной пласти­ ческой деформации. Испытания на механическую усталость про­ ведены при 350, 500 и 600° С, в то время как при испытаниях на термическую усталость температура образца при полном стесне­ нии теплового расширения цик­

нигде не достигает 600° С.

Возможно одной из наиболее существенных причин этого не­ соответствия является рассмотренная в разделе 5.2.2 локализациядеформации. Следует отметить, что кривую термической уста­ лости можно привести в соответствие с кривой изотермической усталости, полученной для 350° С, если при любом значении деформацию умножить на коэффициент, примерно равный 2,5 (рис. 5.6). Как отмечалось, несовпадение по деформации харак­ теризуется величиной, которая может быть получена вследствие локализации деформации при неравномерном распределении тем­ пературы вдоль образца. Такая неравномерность не свойственна исследованию, проведенному с использованием специальной уста­ новки [5.7].

Подобные результаты, показывающие довольно значительное несоответствие между циклической долговечностью при механи­ ческом и термическом нагружении для данной пластической де­ формации за цикл, отмечены для титана Мэджорсом [5.12]. Свиндеман и Дуглас [5.13] получили хорошее соответствие для инконеля. Оба эти исследования рассмотрены более детально

вразделе 7.3.1, но здесь можно отметить, что физические свойства

ихарактеристики циклической долговечности инконеля относи­ тельно малочувствительны к температуре в интервале между

704 и 871° С. Следовательно, степень несоответствия может зави­ сеть от чувствительности свойств материала к температуре в ин­ тервале ее значений при испытаниях на термическую усталость. Кроме этого, возможно, что другие факторы, свойственные иссле­ дованиям, приводят к кажущемуся несоответствию между меха­ нической и термической усталостью при заданной пластической деформации, которое оказывается существенно больше, чем в дей­ ствительности. Коффин рассмотрел некоторые из этих факторов в работе [5.9], в частности наличие ненамеренно создаваемой концентрации напряжений при испытаниях на термическую уста­ лость, которая отсутствовала при испытаниях на механическую усталость.

Таким образом, можно предсказать поведение материала при термической усталости по данным изотермических испытаний на термическую усталость при условии использования соответству­ ющей деформации. Вопрос о том, следует ли выполнять изотерми­ ческие. испытания при средней температуре испытания на терми­ ческую усталость или при другой эффективной средней темпера­ туре* требуёт дальнейшего изучения. Можно ожидать также раз­ личий между результатами испытаний при переменной темпера* туре и изотермическими испытаниями при некоторой средней температуре, если испытания при переменной температуре про­ водятся при достаточно высоких температурах, вызывающих металлургические эффекты, не проявляющиеся в изотермических испытаниях при более низкой температуре. По этой причине тем­ пературу механических испытаний на усталость следует прини­ мать равной наибольшей температуре испытаний на термическую усталость. При этом будут учитываться металлургические эффекты

ибудут определены заниженные значения долговечности.

5.4.2.Металлургические эффекты при высокой температуре. Некоторые исследования при достаточно высокой температуре, вызывающей структурные изменения, проведены Клауссом и Фри­

меном [5.5] на инконеле 550 и сплаве на основе кобальта 8-816, а также Клауссом на стали 422 тигельной плавки. На рис. 5.7 приведены некоторые результаты для 5-816, циклическая долго­ вечность дана в зависимости от пластической деформации за цикл. Однако в этом случае наименьшая температура поддержи­ валась равной 93° С, а пластическая деформация изменялась за счет изменения наибольшей температуры. График в двойных логарифмических координатах является нелинейным, хотя в боль­ шей части интервала долговечности не наблюдается чрезмерного отклонения от линии, характеризуемой величиной г = —V2.

При низких долговечностях, которые соответствуют высокой наибольшей циклической температуре, кривая отклоняется от линейности более значительно. Этот эффект возникает главным об­ разом вследствие перестаривания, когда материал разупрочняется из-за высокой температуры и оказывается в состоянии лучше выдерживать пластическую деформацию без разрушения.

Подобные, но более ограниченные испытания сплава инконель 550 на основе никеля показали меньшую тенденцию к нелиней­ ности при том же самом размахе температуры. Сплав инко­ нель 550 (также дисперсионно твердеющий) обладает меньшей

тенденцией к дальнейшему упрочнению или перестариванию за время испытания.

Данные о поведении сплава 5-816 на основе кобальта и нике­ левого сплава инконель 550 приведены на рис. 5.8. Долговеч­

ской усталости, но и на характеристиках сопротивления ползу­ чести и длительному статическому разрушению. Воздействие температурных напряжений в связи с другими механическими свойствами рассматривается в разделе 5.5.

Данные, приведенные на рис. 5.8, отражают влияние структур­ ных изменений в сплаве 5-816 при высокой температуре. Эти же

жения при охлаждении. Однако дальнейшее циклическое нагру­ жение происходит в условиях действия сжатия при нагреве и растяжения при охлаждении. Подобным же образом образец, закрепленный в холодном состоянии, в первом цикле ненапряжен (холодное состояние) и сжимается при нагреве. Последующее циклирование происходит так, что при нагреве в образце воз­ никает сжатие, а при охлаждении — растяжение, как и в случае закрепления в горячем состоянии. Таким образом-, можно предпо­ лагать, что результаты испытаний образцов, закрепленных в хо­ лодном и горячем состоянии, мало отличаются. Это эксперимен­ тально подтверждено Коффи­ ном [5.7 ]. Он показал, что ре-

зультаты не зависят даже от того, сжат или растянут образец при повышенной температуре [5.6]. В серии испытаний образец меха­ нически растягивался при нагреве и сжимался при охлаждении эксцентриковым механизмом. Таким образом, при любой темпе­ ратуре оказалось возможным создать точно такую же механи­ ческую деформацию, как в закрепленном для исключения сво­ бодного теплового расширения циклически нагреваемом и охла­ ждаемом образце. Результаты показаны на рис. 5.13, и из них видно, что число циклов до разрушения почти не зависит от знака механической деформации. Значительный разброс данных объяс­ няется трудностями сохранения соответствующего отношения фаз

полного отсутствия внешнего стеснения 15.3]. Поэтому необхо­ димо исследовать влияние частичного стеснения, особенно в об­ ласти размахов температур, при которых возможно проявление структурных эффектов. По этому вопросу пока получена неболь­ шая информация. С экспериментальной точки зрения удобный путь воспроизведения частичного стеснения связан с использо­ ванием эксцентрикового механизма 15.6]. Степень стеснения может изменяться в зависимости от перемещения между кон­ цами образца при заданном циклическом размахе температур.

На рис. 5.14 для сопоставления приведены некоторые данные испытаний стали 347 при полном и частичном стеснении 15.6]. Число циклов до разрушения показано в зависимости от размаха механической деформации — полной механической деформации, равной сумме упругой и пластической. Экспериментальные точки, изображенные кружками, получены при полном стеснении и раз­ личных размахах механической деформации. Последние изменя­ лись с увеличением наибольшей температуры цикла, наименьшая температура сохранялась постоянной и равной 100° С. Точки, изображенные треугольниками, соответствуют данным, полу­ ченным при частичном стеснении. Температура в этом случае поддерживалась постоянной в интервале между 100 и 600° С, а механическая деформация изменялась путем изменения ампли­ туды движения эксцентрика.

При данном размахе механической деформации число циклов до разрушения при частичном стеснении значительно меньше, чем число циклов при полном стеснении. Этот результат можно было ожидать, так как для данной механической деформации средняя температура выше при частичном стеснении (постоянно поддерживается равной 350° С), чем при полном (всегда меньше 350° С, поскольку наименьшая температура сохраняется равной 100° С, а максимальная всегда меньше 600° С). При повышенных температурах увеличивается пластическая составляющая полной механической деформации и проявление структурных эффектов более вероятно, поэтому долговечность снижается.

5.5ВЛИЯНИЕ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Вэтом случае не следует ограничиваться рассмотрением числа циклов до разрушения от действия температурных напряжений. Необходимо также принять во внимание влияние температурных напряжений на другие процессы деформирования, определяющие долговечность материала. Например, в турбинной лопатке при

пуске, остановке и увеличении скорости вращения происходит тепловой удар. Температурные напряжения, возникшие вслед­ ствие удара, могут ослабить материал так, что длительная проч­ ность в условиях высоких температур, связанная с действием напряжений от центробежных сил, может ощутимо уменьшиться.

температурными напряжениями на время до разрушения при последующем длительном статическом нагружении исследовано Клауссом и Фриманом [5.5] на сплаве 5-816 и инконеле 550.

НУ

280320I

в интервале температур между 93 и 732° С. После предваритель­ ного циклического нагружения образцы испытывали на длитель­

дость, при этом не отмечено ее изменение. При длительном ста­ тическом разрушении уменьшение площади поперечного сечения было незначительным, за исключением случаев, когда образец был близок к разрушению от усталости,