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

ниях Qmax, а способность к сопротивлению деформированию и раз­ рушению — в относительных a max/crD).

Изменение прочности и пластичности сплавов, а также их спо­ собности сопротивляться деформированию и разрушению при пони­ жении температуры тесным образом связано с изменением соотно­ шения между протяженностью квазистатических и усталостных зон на кривых малоцикловой усталости, граница между которыми фиксируется величиной напряжений перехода а п и соответствую­ щего им числа циклов N„. Характеристики перехода а п и N n>как показано выше, являются важными характеристиками материала, учет изменения которых позволяет оценить кинетику служебных свойств материала при изменении внешних условий испытаний.

Количественное изменение положения зон перехода при изме­ нении температуры от 20 до —196 и —269° С может быть учтено с помощью коэффициентов перехода [176]

°М 1 _______ а П2

а влияние низкой температуры на характеристики прочности плас­ тичности — с помощью коэффициентов

Значения характеристик прочности, пластичности и перехода для исследованных сплавов приведены в табл. 8, а значения коэф­ фициентов, определенных по этим характеристикам для низких температур,— в табл. 9. Чем больше коэффициенты 60в и &б, тем

выше прочность и пластичность материала при низкой температуре по сравнению с комнатной. Если k0n—положительное число, a kN—

отрицательное, то это свидетельствует о том, что при низкой темпе­ ратуре в более широком диапазоне напряжений увеличивается со­ противление материала квазистатическому разрушению и область квазистатического разрушения как по напряжениям, так и по долго­ вечности сужается, а усталостная — расширяется (все титановые и хромоникелевые сплавы). Алюминиевые сплавы характеризуют коэффициенты с обратными знаками (kGn— отрицательное число,

a kN — положительное).

Анализ приведенных данных показывает, что коэффициенты £оп, Ад», &oD и имеют большие абсолютные значения для менее прочных при нормальной температуре сплавов одного класса, у которых с понижением температуры прочность и пластичность уве­ личивается в большей степени, чем для более прочных при нормаль­ ной температуре сплавов, и в большей степени увеличивается (уменьшается) сопротивление усталостному разрушению. Так,

Характеристики перехода, прочности и пластичности сплавов криогенной техники

наименее прочным и наиболее пластичным из рассмотренных сплавов титана является сплав ВТ1-0. Анализ приведенных в табл. 9 зна­ чений коэффициентов свидетельствует о том, что при понижении температуры от 20 до —196 и —269° С интенсивность повышения статической прочности и пластичности выше у менее прочных и пластичных сплавов ВТ 1-0 и ВТ5-1, и коэффициенты перехода для них также значительно выше, чем для сплавов АТ2-2 и ВТ6С.

Такая же закономерность наблюдается для алюминиевых и хро­ моникелевых сплавов. Таким образом, можно говорить о том, что для сплавов одного класса существует качественная корреляция меж­ ду уровнем прочности материала и

ползучести, их циклическая прочность и характер разрушения в значительной степени определяются интенсивностью и характером протекания процессов циклической ползучести. При температурах 20 и —196° С качественные особенности направленного пластиче­ ского деформирования всех исследованных сплавов практически не отличаются, только при понижении температуры наблюдается резкое торможение процессов ползучести, как показано для сплава Д20-1 на рис. 80. В области квазистатического разрушения при одинаковых максимальных напряжениях скорости ползучести умень­ шаются на несколько порядков, а в усталостной области — в пре­ делах одного порядка. Для титановых сплавов и хромоникелевых сталей степень затухания циклической ползучести при снижении температуры до —196° С еще более значительна. Такое резкое тор­ можение процессов ползучести, происходящее на фоне незначи­ тельного изменения предельной пластичности материалов, вызыва­ ет существенное увеличение их циклической прочности во всей малоцикловой области.

Выше речь шла о циклической прочности и о сопоставлении скоростей циклической ползучести в абсолютных напряжениях. Если такое сопоставление выполнять в относительных напряже­ ниях отах/ов и оценивать сопротивление сплавов разрушению и де­ формированию, то окажется, что долговечность и интенсивность процессов циклической ползучести не всегда и не для всех сплавов изменяются эквивалентно абсолютному изменению соответствую­ щих величин: наряду с увеличением циклической прочности при низкой температуре может происходить снижение способности кон­ струкционных сплавов сопротивляться деформированию и разру­ шению. Способность сопротивляться циклической ползучести и

разрушению для различных сплавов по-разному изменяется и опре­ деляющим образом зависит от класса материала.

Графики, характеризующие изменение сопротивляемости уста­ лостному разрушению в криогенных условиях хромоникелевой ста-

построены предельные кривые скоростей ползучести, характеризую­ щие изменение способности сплавов сопротивляться направленному пластическому деформированию (циклической ползучести) на уста­ новившейся стадии. Приведенные данные позволяют сделать за­ ключение о том, что при низкой температуре способность сопро­ тивляться циклической ползучести уменьшается в алюминиевых

нического титана ВТ1-0, у которого наблюдается существенное уве­ личение способности сопротивляться циклической ползучести при —196° С, вызывающее существенную трансформацию кривых пол­ зучести по сравнению с комнатными условиями) и увеличивается в хромоникелевых сталях. Такое изменение деформационных свойств у сплавов алюминия сопровождается увеличением сопротивления усталостному разрушению, а у сплавов титана — незначительным и у хромоникелевых сталей — существенным его уменьшением. При этом важно подчеркнуть, что в квазистатической области изме­ нение способности сопротивляться разрушению однозначно опре-

деляется изменением способности сопротивляться циклической пол­ зучести.

Исключением в данном случае является поведение хромомар­ ганцевого сплава 03Х13АГ19, у которого четко выраженное при понижении температуры уменьшение сопротивляемости усталост­ ному разрушению не связано с увеличением его способности со­ противляться циклической ползучести: последняя при низких тем­ пературах уменьшается

Интересно отмстить, что если при понижении температуры наря­ ду с увеличением прочности и уменьшением способности сопротив­ ляться циклической ползучести для алюминиевых сплавов значи­ тельно увеличивается протяженность зоны их квазистатического разрушения [увеличивается Л/п (см. табл. 8) и k,\ (см. табл. 9)| и уменьшаются приведенные напряжения перехода [k0u — отрица­

тельная величина (см. табл. 9)1, что вызвано интенсификацией про­ цессов ползучести, обусловливающей увеличение способности со­ противляться усталостному разрушению, то такая же интенсифика­ ция процессов циклической ползучести для хромомарганцевого сплава сопровождается смещением кривой малоцикловой усталости в область меньших долговечностей и усилением его склонности к образованию усталостных трещин.

Таким образом, при понижении температуры происходит «улуч­ шение» комплекса механических характеристик алюминиевых спла­ вов с точки зрения их использования в качестве конструкционных материалов. У сплавов титана, хромомарганцевой и хромоникеле­ вых сталей в условиях повторного циклического нагружения, как отмечалось, происходит снижение способности сопротивляться уста­ лости, и поэтому зоны перехода смещаются в область больших при­ веденных напряжений и меньших долговечностей. Следовательно, можно утверждать, что алюминиевые сплавы при прочих равных условиях имеют определенное преимущество перед титановыми, хромоникелевыми и хромомарганцевыми сплавами при их исполь­ зовании в криогенных условиях, так как, обладая достаточно вы­ сокой пластичностью и удельной прочностью, они сохраняют в этих условиях высокую способность сопротивляться усталостному разрушению при циклических нагрузках за пределом текучести.

§ 5. Малоуглеродистые стали

Малоцикловая усталость малоуглеродистых сталей исследовалась в температурном диапазоне от 20 до —140° С при пульсирующем изменении растягивающей нагрузки в соответствии с режимом рис. 1, а. Использовались плоские образцы (см. рис. 2), которые изготавливались из толстолистового проката. При комнатной тем­ пературе испытания проводились на воздухе, а при низких темпе­ ратурах — в парах азота. Циклическую прочность, пластичность и ползучесть широко распространенных и поэтому эксплуатирую­ щихся в условиях низких климатических температур сталей 20 и

Ст.З исследовали на трех температурных уровнях: 20, —80 и —140° С при частоте нагружения 1 гц [180]. Специальная конструкционная сталь 15Г2АФДпс, которая предназначена для изготовления эле­ ментов конструкций и деталей машин, работающих в условиях низких и весьма низких температур, исследовалась при трех часто­ тах: 0,3, 1 и 15 гц и при четырех фиксированных температурах: 20, —60, —100 и —140° С [195]. На практике нижней границе кли­ матической области соответствует температура, примерно равная —80° С, однако, как отмечалось янше, исследование малоцикловой

1 • 10е циклов, зона перехода в хрупкое состояние стали 15Г2АФДпс лежит в диапазоне от —95 до —120° С. Поэтому представляло инте­ рес провести малоцикловые испытания стали при температурах до —140° С, чтобы оценить перспективу ее использования в конструк­ циях, которые работают при температурах, близких к криогенным. Ниже в основном рассмотрены результаты испытаний, полученные при частоте 1 гц. Эта достаточно высокая для малоцикловой уста­ лости частота нагружения (считается, что 1 гц — это верхняя частотная граница малоцикловой усталости), реализованная при испытаниях, позволила по долговечности охватить всю малоцикло­ вую область и получить данные в диапазоне чисел циклов от 0,5 (статическое разрушение) до 4 105. В приложении I приведены температурные зависимости механических характеристик исследо­ ванных сталей. При понижении температуры от 20 до —140° С зна­ чительно увеличиваются пределы прочности и текучести сталей и уменьшается их пластичность, в большей степени — сталей 20 и Ст.З. Остаточное удлинение и относительное сужение в рассмат­ риваемом интервале температур изменяются для стали 15Г2АФДпе незначительно. Интересно также отметить, что если при климати­ ческих температурах диаграммы деформирования сталей характе­

ризуются наличием площадок текучести и хорошо развитых участ­ ков упрочнения, то при температурах ниже —100° С наблюдается уменьшение участков упрочнения; рост пределов текучести при охлаждении опережает увеличение пределов прочности, и при —140° С, например для стали 15Г2АФДпс, деформирование проис­ ходит без упрочнения, так как предел текучести совпадает с преде­ лом прочности.

Во всем исследованном диапазоне температур и долговечностей с понижением температуры наряду с увеличением статической проч­

веденных данных, все исследованные стали характеризуются нали­ чием весьма развитого участка квазистатического разрушения, пе­ реход от которого к участку усталостного разрушения происходит в области долговечностей от 3-104 до 1-105 циклов, т. е. значительно больших, чем для сплавов криогенной техники (см. табл. 8). Сравнив кривые малоцикловой усталости, приведенные на рис. 83, а и 84, можно также отметить, что с понижением температуры зона пере­ хода от квазистатического разрушения к усталостному смещается в область меньших долговечностей для стали 15Г2АФДпс в боль­ шей степени, чем для малоуглеродистых сталей; кроме того, зонам перехода этих сталей соответствуют большие числа циклов до раз­ рушения (см. приложение II). При понижении температуры участок неразрушения для всех сталей расширяется, участок усталостного разрушения смещается в область меньших долговечностей и проис­ ходит уменьшение участка квазистатического разрушения как по напряжениям, так и до долговечности для стали 15Г2АФДпс и только по долговечности для сталей 20 и Ст.З.

В исследованном температурном диапазоне стали являются вы­ сокопластичными материалами. Их кривые циклической ползучести имеют четко выраженные участки установившейся ползучести, в пределах которых накопление пластической деформации происхо­ дит весьма интенсивно и в нормальных, и в низкотемпературных

условиях. Однако с понижением температуры протекание процес­ сов циклической ползучести тормозится, и предельные кривые ско­ ростей ползучести смещаются в область меньших скоростей ползу­ чести (рис 85). При этом накопленная до разрушения пластическая деформация при охлаждении до температуры ниже —100° С умень­

при понижении температуры сопровождается торможением процессов циклической ползучести, происходящем на фоне постоянства реали­ зованной пластичности в климатической области и уменьшения пластичности при температурах ниже —100° С.

Сопоставление предельных кривых скоростей ползучести в отно­ сительных напряжениях (рис. 86, а) показывает, что способность малоуглеродистых сталей сопротивляться циклической ползучести при понижении температуры увеличивается в квазистатической об­ ласти и незначительно изменяется в области усталостного разруше­ ния. Изменение способности малоуглеродистых сталей сопротив­ ляться циклической ползучести так же, как и для сплавов на основе

Рис. 86. Предельные кривые скоростей, установившейся ползучести (а) и кривые малоцикловой усталости (б) стали 20.

титана, алюминия и хромоникелевых сталей, однозначно взаимосвя­ зано с изменением их способности сопротивляться разрушению. Поэтому в квазистатической области, когда способность сопротив­ ляться разрушению увеличивается с увеличением сопротивляемости циклической ползучести, при понижении температуры до —140° С приведенные кривые малоцикловой усталости смещаются в область больших долговечностей (см. рис. 86, б). В области усталостного разрушения соответствующие участки кривых практически совпа­ дают, так как способность малоуглеродистых сталей 20 и Ст.З

сопротивляться усталостному разрушению при понижении темпе­ ратуры изменяется незначительно.

Изменение способности материала сопротивляться разрушению во всем интервале температур при их понижении детально изучалось

приведенным данным при понижении температуры от 20 до —140° С способность стали 15Г2АФДпс сопротивляться разрушению во всей малоцикловой области изменяется немонотонно. При температурах, равных примерно —60° С, на указанных кривых наблюдается «про­ вал», и только в температурной области несколько ниже —100° С

сивно — при температурах ниже —20° С. Необходимо подчеркнуть, Что такое немонотонное изменение сопротивляемости разрушению со­ провождается подобным по характеру изменением способности сопро­ тивляться циклической ползучести: экстремум на соответствующей температурной зависимости скоростей ползучести также совпада­ ет с областью температур, близкой к —60° С.

При усталостном разрушении на величину долговечности мате­ риала в малоцикловой области может оказывать влияние и его спо­ собность сопротивляться хрупкому разрушению, которая контро­