книги / Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом нагружении в условиях низких и высоких температур

ний от 1 до 0,98сгв разрушение имело квазистатический характер и происходило с образованием в центральной части образца шейки; при напряжениях ниже 0,9£ав характер разрушения, несмотря на существенное пластическое деформирование сплава в процессе испытаний, был усталостным.

Анализ кривых циклической ползучести сплава АМгб для опи­ санных условий испытаний при квазистатическом и усталостном характере разрушения показывает, что ползучесть сплава АМгб при циклическом нагружении происходит на фоне скачкообразных при­ ращений пластической деформации на участках кривых с установив­ шейся скоростью ползучести. На рис. 64 показаны кривые цикли­

циклов (5—8) достигает минимального значения; в дальнейшем она остается практически постоянной на всем участке установив­ шейся ползучести независимо от числа скачков пластической де­ формации, уменьшаясь при переходе к образцам с меньшими дей­ ствующими напряжениями. Третий участок при усталостном харак­ тере разрушения на кривых ползучести отсутствует.

Приведенные на рис. 64 данные позволяют сделать качествен­ ные выводы о характере, величине и периодичности скачков пласти­ ческой деформации на участках установившейся ползучести. В об­ щем случае с увеличением напряжений и уменьшением долговеч­ ности происходит рост величины скачков от 0,2 до 3% и уменьшает­ ся их число. При этом величина скачков пластической деформации на одной и той же кривой ползучести не является постоянной и име­ ет тенденцию к уменьшению с увеличением числа циклов нагруже­ ния. Длительность скачка колеблется от нескольких циклов до нескольких десятков циклов и в общем случае не зависит от величи­ ны скачка и уровня действующих напряжений, а скорость его про­ текания при описанных условиях испытаний изменяется в преде­

лах одного порядка от 1 10-3 до 1 10-4 ——мм, и ее величина на

цикл

несколько порядков выше скорости установившейся ползучести,

Интересно отметить, что в интервале скачка пластической дефор­ мации наблюдается скачкообразное увеличение ширины В рентге­ новских интерференционных линий (311), связанное, по-видимому, с уменьшением степени совершенства твердого раствора. Величина В, отнесенная к В0 [ширина линии (311) образца в исходном состоя­ нии] в интервале скачка изменяется от 5,5 до 8,5. Рентгенографиче­ ское исследование структуры образцов в процессе испытания прово­ дилось фотографическим методом в характеристическом Сг—/га-из- лучении. Для исследования использовались образцы, испытан­

дят скачки пластической деформации при ползучести, от чего зави­ сит их величина и может ли изменение режима нагружения интен­ сифицировать этот процесс. Последний вопрос представляет суще­ ственный интерес с точки зрения конструктивной прочности изде­ лий из сплава АМгб, которые работают в условиях нестационарного циклического нагружения. При таких условиях работы изделия возможное ускорение процесса скачкообразования может привести к резкому уменьшению числа циклов до разрушения и к изменению характера разрушения от усталостного к квазистатическому.

Для получения ответа на поставленные вопросы были в ограни­ ченном объеме проведены испытания при напряжениях атах = =0,96ав = 32,7 кгс/мм2, которые наиболее контрастно проявляют эффекты скачкообразования. На рис. 65 приведены результаты та­ ких испытаний. Здесь кривая / является исходной и соответствует испытаниям по описанному выше трапецоидальному циклу (про­ грамма А). Кривая циклической ползучести// соответствует испы­ таниям, при которых после некоторого числа трапецоидальных

При испытаниях в условиях ползучести (программа Г) величина скачков пластической деформации после пауз изменялась от 1,5 до 4,2%. Скачки между паузами происходили только в момент под­ тяжки образца (использовались машины рычажного типа).

Скачки пластической деформации на кривых ползучести явля­ ются индикатором разупрочнения сплава АМгб, которое в упроч­ ненном материале происходит весьма интенсивно во время пауз при нулевых напряжениях и менее интенсивно — при циклическом и статическом нагружениях. Число скачков на кривых ползучести при испытаниях без пауз зависит от режима нагружения; наимень­ шей интенсивностью процесса скачкообразования характеризуются кривые ползучести при а = const. Испытания с паузами благопри­ ятны для интенсификации разупрочнения сплава АМгб, поэтому

число скачков на кривых ползучести при подобных испытаниях определяется, в основном, числом пауз. В этом случае долговеч­ ность при циклическом нагружении будет ограничиваться не числом циклов нагружения, а пластичностью сплава АМгб и числом скач­ ков деформации, необходимых для реализации пластичности. Сле­ дует также отметить, что значительное уменьшение числа циклов до разрушения при испытаниях с паузами сопровождается замет­ ным увеличением реализованной пластичности сплава (табл. 7) и изменением характера разрушения от усталостного к квазистатическому. Поэтому при расчете элементов конструкций из сплава АМгб, работающих при нормальных температурах в условиях повторно-статического нагружения, необходимо учитывать, что их прочность, долговечность и деформативность зависит не только от характера силового цикла, но в значительной степени определяется и режимом эксплуатации.

Полученные результаты позволяют сделать некоторые предпо­ ложения о физической природе структурных изменений в изучен­ ном нами алюминиевом сплаве при циклической ползучести. Как из­ вестно 115, 491, пластическая деформация материалов с ГЦК-кри- сталлической решеткой в сильной степени зависит от количе­ ства семейств кристаллографических плоскостей, по которым мо­ жет осуществляться скольжение при приложении внешней нагрузки. Даже в чистых ГЦК-металлах начало скольжения по новому се­

Величина скачков пластической деформации в сплаве АМгб должна быть чувствительна к размеру и распределению в объеме материала мелкодисперсных фаз. Была сделана попытка увеличить размер включений путем длительного отжига образцов (до 10 ч) при температуре 450° С. Существенного изменения в поведении этих образцов в условиях циклической ползучести не обнаружено.

Интересно отметить, что величина скачков пластической дефор­ мации после выдержки при температуре —196° С намного меньше, чем после вылеживания при комнатной температуре. Это обуслов­ лено тем, что процессы разупрочнения (рассеивание дислокацион­ ных скоплений и аннигиляция дислокаций) являются термически активируемыми й при температуре жидкого азота происходят с очень малой скоростью.

Волнообразный характер деформации при ползучести ГЦК-метал- лов наблюдался и другими авторами [4], отмечающими, что выдерж­ ка материала без нагрузки приводит к релаксации полей напряже­ ния и частичному разупрочнению. В работе [16] указывается, что циклы упрочнения и разупрочнения могут приводить к немонотон­ ному изменению деформации при ползучести.

Таким образом, скачки пластической деформации, наблюдавшие­ ся при циклической ползучести сплава АМгб, могут быть связаны с негомогенной структурой сплава, которая способствует образова­ нию плоских дислокационных скоплений. Рассеивание таких скоп­ лений, происходящее либо при выдержке материала без нагрузки при комнатной температуре, либо в процессе испытания, обуслов­ ливает скачкообразное возрастание деформации.

ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВОВ

Сплавы для изготовления металлоконструкций низкотемператур­ ного назначения должны обеспечивать достаточную эксплуатацион­ ную надежность деталей и узлов, работающих при низкой темпера­ туре. К таким сплавам относятся цветные сплавы на основе титана и алюминия, а также различные хромоникелевые и специальные ста­ ли и сплавы. С понижением температуры в климатическую и крио­ генную области их прочность при статическом и циклическом с вы­ сокой частотой нагружениях повышается и сохраняется достаточно высокая пластичность по сравнению с нормальными условиями [14, 23, 62, 67, 200]. Исследования малоцикловой усталости таких ста­ лей и сплавов, результаты которых рассмотрены в данной главе, показали, что в диапазоне максимальных напряжений цикла от 0,6 до 1,0 ав при низкочастотном пульсирующем нагружении с пони­ жением температуры их циклическая прочность также увеличивает­ ся и при этом сохраняется высокая способность к накоплению одно­ сторонних пластических деформаций. Из сопоставления кривых малоцикловой усталости и предельных кривых пластической дефор­ мации исследованных сплавов видно, что при комнатной и низкой температурах они подобны и имеют участки с одинаковым характе­ ром разрушения. Однако границы этих участков как по напряжени­ ям,>ак и по долговечности не совпадают. И если смещение границ перехода от квазистатического разрушения к усталостному для всех сплавов в связи с увеличением их прочности направлено в область больших напряжений, то по долговечности эти границы смещаются различным образом для разных сплавов.

Количественная оценка влияния низких температур на характе­ ристики прочности и пластичности, а также на характеристики перехода сплавов показывает, что при малоцикловом нагружении увеличение циклической прочности и пластичности исследо­ ванных сплавов в условиях криогенных температур не всегда со­ провождается увеличением их способности сопротивляться цикли­ ческому деформированию и разрушению, что особенно четко выра­ жено, например, для технического титана ВТ 1-0 и широко распро­ страненной хромоникелевой стали Х18Н10Т.

Химический состав сплавов, а также их механические характе­ ристики при исследованных температурах приведены в приложе­ нии I.

§ 1. Алюминиевые сплавы

Малоцикловая усталость алюминиевых сплавов исследовалась при 20 и —196° С. Низкотемпературные испытания осуществлялись в среде жидкого азота при пульсирующем нагружении плоских об­ разцов (см. рис. 11, а), в соответствии с режимом, приведенным на

рис. 1, б.

Исследовались сплавы алюминия с медью Д20-1 и 1203, а также сплав алюминия с магнием АМгб, имеющие хорошие перспективы

Кривые малоцикловой усталости, предельные кривые пластиче­ ской деформации и относительного сужения, которые характеризу­ ют изменение по числу циклов разрушающих напряжений, накоп­ ленной до разрушения пластической деформации и относительного сужения, приведены на рис. 69—71.

Более высокой статической прочностью при нормальной и низ­ кой температурах характеризуются сплавы Д20-1 и 1203, а более высокой пластичностью — сплав АМгб. При понижении темпера­ туры до —196° С статическая и циклическая прочность всех иссле­ дованных сплавов увеличивается, а значительным повышением пластичности при этом отличается только сплав АМгб. В области и квазистатического, и усталостного разрушений пластичность алюминиевомедных сплавов при переходе от нормальных условий к низкотемпературным практически не изменяется. Здесь необхо­ димо остановиться на характерной особенности взаимного измене­ ния интегральной и локальной пластичности алюминиевых сплавов при их захолаживании. Как известно, определение интегральной

пластичности связано с величиной пластической деформации ер, накопленной до разрушения, а локальная пластичность материала характеризуется величиной относительного сужения фр. Данные, приведенные на рис. 69, б, в, 70, б, в и 71, б, в, свидетельствуют о том, что при понижении температуры до —196° С изменение интеграль­ ной и локальной пластичности алюминиевых сплавов имеет одина­ ковый характер. Так, для сплава АМгб увеличение ер сопровожда­ ется ростом г|)р во всем исследованном диапазоне долговечностей; для сплавов Д20-1 и 1203 как накопленная до разрушения деформа­ ция, так и относительное сужение остаются при этом постоянными.

ВО

1 50

J

20

Рис. 70. Кривые малоцикловой ус­ талости (а), предельные кривые пластической деформации (б) и отно­ сительного сужения (в) сплава 1203 (/, II — то же, что и на рис. 69).

Данная закономерность сви­ детельствует о том, что пони­ жение температуры не влия­ ет на соотношение между ло­

кальной и интегральной пластичностью алюминиевых сплавов в малоцикловой области. Как будет показано ниже, эта закономер­ ность не соблюдается для титановых сплавов, а также для хромо­ никелевых сталей.

Алюминиевые сплавы являются циклически упрочняющимися материалами, и при комнатной температуре участок их квазистатического разрушения на кривых малоцикловой усталости является весьма ограниченным по напряжениям (см. рис. 69, а, 70, а, 71, а). Так, для сплава Д20-1 напряжения перехода ап = 0,97ав, а для АМгб ап = 0,985ав, т. е. практически в пределах разброса свойств материала совпадают с пределом прочности. Поэтому при температуре 20° С кривые малоцикловой усталости сплавов на основе алюминия характеризуются наличием хорошо развитых участков усталостного разрушения, которые в основном соответствуют области напряже­ ний выше предела текучести. При понижении температуры наряду с увеличением прочности во всем исследованном диапазоне долго­ вечностей наблюдается заметное расширение зон квазистатического разрушения как по напряжениям, так и по долговечности. Зоны

перехода от квазистатического разрушения к усталостному по числу циклов смещаются в область больших долговечностей (от 3500 при 20°С до 7000 циклов при —196°С для сплава Д20-1 и от 3000 циклов при 20° С до 11 000 при —196° С для АМгб) и меньших приведенных напряжений перехода (ап = 0,93ав и стп = 0,82ав соответственно для сплавов Д20-1 и АМгб при —196° С). Интервал области квази­ статического разрушения по напряжениям при переходе от 20° С к —196° С расширяется для сплава Д20-1 от 1,5 до 4 кгс/мма и для АМгб от 0,5 до 13 кгс/мм2. Более значительное развитие области

чности алюминиевомагниевых сплавов и с этим увеличением связано. Зоны перехода от одного вида разрушения к другому для иссле­ дованных сплавов при двух температурных уровнях весьма четко фиксируются на предельных кривых прочности и пластичности. Область так называемого смешанного разрушения, в пределах которой уровень реализованной до разрушения пластической де­ формации близок к остаточному удлинению 6, а разрушение происходит в результате образования и развития до критической величины усталостной трещины, для рассматриваемых сплавов, как правило, весьма ограничена по долговечности. В нормальных условиях эта область имеет некоторую протяженность, как, напри­ мер, для сплава Д20-1 (см. рис. 69, б), а при низкой температуре

происходит ее сужение по долговечности.

Таким образом, при температуре —196° С циклическая проч­ ность всех сплавов на основе алюминия в малоцикловой области