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

стоя иной и изменяется с увеличением числа циклов. Это показано на рис. 131 для трех наиболее характерных зон образца. Как видно, кри­ вые циклического формоизменения, представленные в координатах ф, N для различных сечений, аналогичны кривым ползучести ме­ таллов, имеющим три характерных участка. В зонах образца, не совпадающих с сечением разрушения, наблюдается затухающее формоизменение (кривые 2 и 3), а в зоне шейки, где происходит разрушение,— ускоренное и в этом сечении величина ф достигает предельного значения — 100%.

Наличие характерных участков на кривых формоизменения осо­ бенно четко можно проследить по представленным на рис. 132 за­

венно номинальный диаметр образца и диаметры образца в выпук­ лости и шейке, где произошло разрушение.

Следует отметить, что в исследованных тугоплавких металлах область перехода от установившегося формоизменения к ускоренно­ му совпадает с областью чисел циклов от 0,6 до 0,7 и определяется степенью локализации неравномерной пластической деформации. Изменение скорости формоизменения наступает одновременно с преимущественным развитием какой-либо шейки. При этом разви­ тие других шеек и выпуклостей происходит G затуханием (см. рис. 131, кривые 2 и 3), а вся пластическая деформация локализу­ ется в шейке, где происходит разрушение. Анализ данных рис. 131 позволяет также сделать вывод о том, что накопление формоизме­ нения в выпуклостях и шейках происходит постепенно, и на формо­ изменение реализуется только часть пластической деформации в полуциклах деформации и растяжения. При действии в образце растягивающих напряжений удлиняется и шейка, и выпуклость; при его сжатии укорачивается также и выпуклость, и шейка. Та­ ким образом, в полуциклах растяжения и сжатия деформируется весь материал образца, но в полуциклах растяжения некоторая часть полной деформации накапливается в шейке, вызывая ее необ­ ратимое утонение, а в полуциклах сжатия некоторая часть дефор­

мации накапливается в выпуклости, вызывая ее необратимое утол­ щение. Этот процесс происходит непрерывно с установившейся скоростью дискретной ползучести на первой стадии при равномер­ ном формоизменении образца и с ускоренной дискретной ползучес­ тью на второй стадии при неравномерном формоизменении. Явление интенсивного формоизменения тугоплавких сплавов в высоко­ пластичном состоянии не может быть связано с особенностями изо­ термических испытаний, формой образца и характером температур­ ного поля. Однако в зависимости от типа сплава, температуры и режима нагружения процесс формоизменения может существенно отличаться как по расположению зон деформации сжатия и растяже­ ния, так и по интенсивности этого процесса. Общим остается меха­ низм деформирования, основанный на циклическом перемещении материала из одних деформируемых зон в другие и обусловливаю­ щий наступление разрушения в материале только после реализации его пластичности. Существенную роль в этом процессе, по-видимо­ му, играет анизотропное упрочнение металла на первых циклах де­ формирования. Очевидно, что оценка прочности таких материалов может вестись только с учетом кинетики их формоизменения и опре­ деляться по полному исчерпанию пластичности в опасных сечениях.

Интересно отметить, что формоизменение наблюдалось и при ис­ пытаниях жаропрочных сплавов на термическую усталость, т. е. в условиях, которые можно квалифицировать как условия неизо­ термического жесткого нагружения. При таких испытаниях разру­ шение имело квазистатический или усталостный характер [152]. Не останавливаясь на обсуждении результатов этих испытаний, рассмотрим возможный механизм формоизменения, который может иметь место в данном случае.

Процесс циклического знакопеременного деформирования за­ щемленного образца, обусловленный циклическим изменением тем­ пературы, можно представить следующим образом. В полуцикле нагрева по длине образца действуют постоянные сжимающие на­ пряжения и переменное (во времени и по длине образца) температур­ ное поле. В результате этого к моменту окончания нагрева может реализоваться пластическая деформация сжатия, распределение которой по длине образца описывается, например, кривой 1 на рис. 133, а. В полуцикле охлаждения по аналогичным причинам могут возникать пластические деформации растяжения, распреде­ ление которых по длине образца может быть различным (рис. 133, б, кривые 3 и 4). При этом, если поля деформаций в полуциклах нагре­ ва и охлаждения совпадают по величине и по форме (кривые 1 и 2), то пластические макродеформации одного знака будут компенси­ роваться макродеформациями противоположного знака, а их сумма к моменту окончания полного температурного цикла будет равна нулю. Следовательно, в случае повторения подобных циклов одно­ стороннего накопления деформации и формоизменения не будет. При несовпадении полей деформаций (кривые 3 и 4) в течение полного цикла компенсации макродеформаций разного знака не произойдет.

Их разность в каждом сечении образца будет иметь определенную величину. Многократное повторение подобных циклов приведет к на­ коплению остаточной пластической макродеформации, распреде­ ленной некоторым образом по длине образца (заштрихованная об­ ласть на рис. 133, б).

Таким образом, в процессе термоциклирования защемленного образца в любом случае все объемы материала циклически дефор­

ская деформация за цикл мала. В слу­ чае трапецоидального цикла за время выдержки образца при мак­

симальной температуре происходит выравнивание температурно­ го поля по его длине. В момент охлаждения поле деформаций рез­ ко изменяет форму, вследствие чего от цикла к циклу накапливает­ ся значительная пластическая деформация [152]. Можно считать, что путем регулирования температурного поля по длине образца (или конструкции) можно целенаправленно управлять скоростью накопления направленной пластической деформации и таким обра­ зом регулировать характер разрушения.

Рассмотренные данные показывают, что формоизменение может быть связано с условиями изотермического и неизотермического, жесткого и мягкого нагружения, происходить в различных материа­ лах при благоприятных температурных условиях. Объяснение это­ му явлению для разных условий можно дать с позиций различных представлений, однако при этом очевидно, что независимо от при­ чин, вызывающих явление формоизменения, при оценке долговеч­ ности материалов в таких условиях деформирования необходим^ учитывать влияние на долговечность процессов направленного пластического деформирования.

§ 2. О подходах к оценке долговечности при формоизменении

В предыдущем параграфе показано, что уравнение Коффина в виде (IV.10) может быть использовано для описания взаимосвязи между полной деформацией тугоплавких сплавов в условиях формоизме­ нения и числом циклов до разрушения. Однако величины парамет­ ров k и С существенно отличаются в этом случае (см. приложение III) от их характерных значений, которые могут быть заданы до мало­ цикловых испытаний. Кроме того, интегральная деформация за цикл при формоизменении материала не является величиной, опре­ деляющей его сопротивление разрушению, и поэтому использование уравнений типа Коффина для таких условий деформирования явля­ ется формальным. При формоизменении, сопровождающемся квазистатическим разрушением, основными процессами, определяющими характер разрушения, являются процессы направленного пластиче­ ского деформирования материала в локальных зонах. В этом слу­ чае традиционные классические методы оценки прочности и долго­ вечности, основанные на определении номинальных напряжений и интегральных осевых деформаций, не могут быть эффективными в связи с непрерывным изменением величин о и е в различных зонах формоизменяющегося образца при его нагружении (см. рис. 130). Необходима разработка таких методов, которые основывались бы на учете формоизменения и процессов циклической ползучести.

Рассмотрим один из таких подходов, в соответствии с которым оценка долговечности может быть выполнена с учетом допустимого формоизменения. Для области шейки процесс необратимого формо­ изменения можно выразить следующим образом:

фш.сум = фт.н "1” фш.ц» фш.ц = Фш.р —" фш.с» (V I. 1)

Таким образом, для записи в виде (VI. 1) и (VI.2) формоизмене­

только для образцов из циклически анизотропных материалов. При формоизменении в различных зонах таких образцов протека­

в условиях постоянства объема образца и числа первоначально фор­ моизмененных зон. Процессы формоизменения *в зонах накопления деформации растяжения и сжатия являются зеркально взаимосвя­ занными: уменьшение объема шеек определяется увеличением объема выпуклостей. Графики, устанавливающие связь между числом циклов нагружения и величинами, характеризующими пластичность, в координатах ф, N

ие, JV качественно совпадают для зон шеек и выпуклостей (см. рис. 130

и131). Поэтому, если задаться за­ коном формоизменения, наиболее близко соответствующим реально­ му, можно определить зависимость между размерами образца в шей­

ке и выпуклости из условия посто­ янства объема образца и неизмен­ ности его длины.

Одна из наиболее простых расчетных схем, приведенная на рис. 134, дана в качестве иллюстрации расчета формоизменения об­ разца. Принято, что формоизменение в шейках одинаковое и дефор­ мируемые объемы могут быть заменены цилиндрами, которые явля­ ются касательными к поверхности формоизменения. Размеры для расчетной схемы брались в соответствии с данными эксперимента.

65разца получаем

Офв.сум --- “1 фм.сум*

удовлетворительное для стадии стабилизации формоизменения. При N = 0,7 N р и более, когда деформация локализуется в одной из шеек, а истинные напряжения в сечении выпуклости существен­ но уменьшаются и ее рост практически прекращается, расчетная кривая и экспериментальная расходятся. Это обстоятельство можно использовать для определения критического размера шейки, т. е. размера, при котором напряжения в шейке становятся меньше предела циклической ползучести а*, рост выпуклости прекраща­ ется и наступает вторая стадия формоизменения

<*-.« = ] / 2 (VI.5)

где Ртах — максимальная амплитудная нагрузка.

Зная критический размер шейки из (VI.5) и записывая завися* мость относительного сужения от числа циклов нагружения для пер­ вой стадии в виде степенной функции, после некоторых преобразо­ ваний получаем выражение для определения критического числа циклов нагружения образца (числа циклов до момента начала уско­ ренного формоизменения)

что расчет необходимо вести применительно к кривым, описываю­ щим процесс ползучести в шейке. Приведенная скорость локальной

использованием в соответствии с зависимостью (IV.29) кривые малоцикловой усталости показали удовлетворительное совпадение G экспериментальными кривыми (рис. 136).

Следовательно, независимо от условий нагружения долговеч­ ность материала при циклической ползучести определяется запасом его пластичности, а также скоростью и степенью исчерпания плас­ тичности на стадии стабилизации процесса направленного дефор­ мирования. В этом случае для расчета долговечности должны при­ меняться зависимости, описывающие взаимосвязь между назван­ ными величинами.

ПРИЛОЖЕНИЯ