книги / Сопротивление жаропрочных материалов нестационарным силовым и температурным воздействиям

Следовательно, интервал изменения напряжений за цикл — вели­ чина постоянная, определяемая как

(IV.105)

При этом наступает «внешнее» стационарное состояние, т. е. такое, когда при последующих циклах теплового нагружения диа­ граммы деформирования будут повторяться (рис. 91, б). Послед­ ние представляют замкнутые петли гистерезиса, описываемые уравнениями

(IV.106)

Очевидно, что до наступления стабилизированного состояния число циклов зависит от физико-механических характеристик материала, параметров температурного режима и граничных усло­ вий закрепления образца. Все приведенные зависимости спра­ ведливы при условии, когда отсутствуют ползучесть материала

ирелаксация напряжений. Необходимо помнить, что при стаби­ лизированном состоянии увеличиваются местные дефекты металла

ипроисходит накопление повреждаемости (вследствие знакопере­ менного пластического течения) вплоть до появления трещин. Таким образом, наряду с описанной макроскопической стабили­ зацией напряжений и деформаций в микрообъемах вплоть до раз­ рушения наблюдается увеличение неравномерности распределе­ ния деформаций, что не позволяет говорить о стабилизации на­

пряженного состояния.

При многократных тепловых нагружениях металла протекают процессы ползучести и релаксации, которые оказывают влияние на перераспределение напряжений и деформаций от цикла к цик­ лу, характер накопления повреждаемости, а следовательно, и на несущую способность. Рассмотрим элемент I (см. рис. 87), кото­ рый «жестко» закреплен (С2/С1 = оо), подвергается циклическому равномерному нагреву и охлаждению с определенной выдержкой при максимальной температуре цикла. В работах [181, 4161 по­ казано, что с увеличением времени выдержки элемента при мак­ симальной температуре цикла долговечность металла резко сни­ жается, что объясняется изменением пластической деформации за полуцикл по отношению к упругой деформации вследствие релак­ сации напряжений сжатия при нагреве. В этом случае суммарная пластическая деформация с учетом знака при iV-м цикле теплового нагружения (рис. 92, а) определяется так:

Для всех материалов диаграммы деформирования (петли ги­ стерезиса) различны как по величине, так и по форме. Причем диа­ граммы деформирования при циклическом тепловом нагружении не имеют прямолинейных участков (нагрузки, разгрузки) в от­ личие от диаграмм деформирования при циклическом силовом на­ гружении и постоянной температуре. Для всех исследуемых ма­ териалов и на всех режимах термоциклического нагружения диа­ граммы деформирования до определенного числа циклов являются разомкнутыми и изменяют свою форму и размеры от цикла к циклу знакопеременного теплового нагружения. Это позволило изучить кинетику основных параметров петли гистерезиса в зависимости от числа циклов температурного воздействия.

Диаграммы деформирования для всех исследуемых материалов в рассматриваемом диапазоне температурного воздействия имеют параболический характер и описываются уравнениями (IV .86), (IV .87). Значения параметров Рц и gN, входящих в эти уравнения, характеризующие зависимость между напряжениями и деформа­ циями материалов при термоциклическом нагружении, определя­ лись из диаграмм циклического деформирования. Некоторые зна­

довательно, при дальнейших циклах знакопеременного теплового нагружения наблюдается повторяемость диаграмм деформирова­ ния. В этом случае параметры Рц* и gN* от цикла к циклу изме­

Исследования диаграмм деформирования стали 1Х18Н 9Т при различных значениях средней температуры цикла (Тт — 500, 400, 300° С) показали, что значения параметров пластичности зависят от средней температуры цикла:

Диаграммы деформирования, как это видно из рис. 94, а, зависят также от продолжительности выдержки образца при мак­ симальной температуре цикла, причем в этом случае диаграммы деформирования (петли гистерезиса) также разомкнуты и изме­ няются от цикла к циклу. Анализ диаграмм термоциклического нагружения с выдержкой образца при максимальной температуре цикла показывает, что и в этом случае после определенного числа циклов (.N = N*) наступает стабильность диаграмм деформиро­ вания. Диаграммы деформирования для стационарного состояния (материал 1Х18Н9Т) при различных значениях продолжитель­ ности выдержки образца при максимальной температуре цикла по­ казаны на рис. 94, б. В этом случае 8w* 0, а Рц*, gN* от цикла к циклу изменяются незначительно, т. е. остаются почти постоян­ ными и для некоторых значений 1В приведены ниже:

й б

Ряс. 94. Диаграммы деформирования стали 1Х18Н9Т при К iss 0,94 и Т — = 100 *=» 700° С с различными выдержками при Гтах для неустановившегося режима (а) и стационарного состояния (б):

I — tB = 0; II — tB = 120 сек-, Ш — (в = 240 сек.

Диаграммы деформирования, построенные для различных материалов в широком диапа­ зоне изменения параметров температурного цикла и гра­ ничных условий, показывают, что они изменяются от цикла к циклу, а следовательно, изме­ няются все основные параметры петли гистерезиса (интервал на­ пряжений, интервал пластиче­ ских деформаций, величина не­ обратимой энергии). Анализ ре­ зультатов исследования диа­ грамм деформирования метал­ лов при многократном тепловом

нагружении позволил установить закономерности изменения на­ пряжений, пластических деформаций и величины рассеиваемой энергии от цикла к циклу. Интервал колебания напряжений в

Для циклически упрочняющихся материалов в каждом цикле интервал напряжений от полуцикла к полуциклу монотонно воз­ растает и интервал напряжений в одном полуцикле (четном) боль­ ше интервала напряжений в другом полуцикле (нечетном). Од­ нако при каком-то N = N* интервал изменения напряжений в четном полуцикле незначительно отличается от интервала изме­ нения напряжений в нечетном полуцикле и, естественно, все кри­ вые (рис. 95) сливаются в одну. При этом Ья* 0 и Aaffl = А ар = = const.

Таким образом, упруго-пластические свойства материала при многократном тепловом нагружении изменяются в зависимости от числа циклов. Пластическое деформационное упрочнение суще­ ственно зависит от величины деформации. При малых деформа­ циях (0 ,2—0,3% ) оно почти не наблюдается и в этом случае диа­ граммы деформирования будут повторяться при каждом цикле теплового нагружения. Величина циклического деформационного упрочнения возрастает с увеличением амплитуды деформации. Из­ менение величины циклического напряжения от полуцикла к по-

Рис. 96. Изменение напряжений (а) и пластических деформаций (б) от цикла к циклу для стали 1Х18Н9Т при К = 0,94 в зависимости от выдержки образ­

i|>i (N) = 1|>2 (N) = 0 . Значения параметров у и р зависят от физи­ ко-механических характеристик материала, температурного ре­ жима и величины пластической деформации за первый цикл. При каком-то числе циклов теплового нагружения N = N* абсолют­ ная величина пластической деформации в четном полуцикле равна таковой в нечетном полуцикле. Петля гистерезиса становится замк­ нутой и наступает стационарное состояние (предельное состояние). Изменение интервала напряжений от полуцикла к полуциклу в значительной степени зависит от формы температурного цикла и, в частности, от продолжительности выдержки образца при макси­ мальной температуре (рис. 96). Результаты исследования кине­ тики пластических деформаций и напряжений дают возможность построить диаграммы зависимости циклического напряжения от циклической деформации (рис. 97).

Эти диаграммы позволяют определить размеры петли гисте­ резиса. Если цикл имеет только упругий характер (ширина петли гистерезиса стремится к нулю), то графическое изображение ве­ личины Да, соответствующей Де, даст точку, лежащую на штри­ ховой линии. Если существует петля гистерезиса, то величина Е — = Дсг/Де является численной характеристикой гистерезиса (мо­ дуль гистерезиса). Приведенный анализ свидетельствует о том, что характеристику гистерезиса для установившегося состояния (рис. 97) можно определить так:

Е - = Е Двр** -1. (IV. 124)

Очевидно, при одном и том же значении Де петля гистерезиса будет более узкой для тех материалов, для которых модуль ги­ стерезиса меньше. Результаты исследований кинетики напряжений и пластических деформаций для различных материалов в широ­ ком диапазоне изменения параметров температурного цикла позволили установить зависимость между циклическими напряже­ ниями и пластическими деформациями в условиях стабилизиро­ ванного состояния:

где А, тп — параметры, зависящие от физико-механических ха­ рактеристик материала и температурного режима.

Процессы накопления пластических деформаций в период на­ личия упрочнения (разупрочнения) и в период его отсутствия, т. е. в период стабилизации, протекают по-разному. Под накоп­ ленной или общей пластической деформацией следует понимать сумму, пластических деформаций (без учета знака) в четных и не­ четных полуциклах за N циклов знакопеременного термопласти­ ческого нагружения. Суммарная пластическая деформация, на­ копленная в элементе до разрушения металла в условиях знако­ переменной термопластичности, состоит из двух частей:

N=1