В процессе массовых испытаний измеряется общая пластическая деформация образца, представленная на рис. 37 площадью, ограни­ ченной кривой 1 (или 2) и осью абсцисс. По величине этой деформа­ ции необходимо найти значение наибольшей деформации в опасном сечении етах.

Кривая 1 близка к параболе, и ее площадь, равная деформации

/р = 0,6/0, где /р — расчетная длина образца, определяемая в каж­ дом конкретном случае по протяженности зоны пластического де­

Если режим испытаний изменяется и изменяется скорость нагре­ ва, то коэффициент в выражении (М2) будет другим. Относитель­ ная деформация при испытаниях на термоусталость жестко защем­ ленных образцов (см. рис. 16, в) определяется так же. В методике определения абсолютной пластической деформации при термоуста­ лостных испытаниях есть некоторые отличия от рассмотренной выше методики для случая малоциклового неизотермического нагружения (см. рис. 16, б). Ее величина 6ПЛпри термоусталости определяется по результатам записи в процессе испытаний усилия Р, перемеще­ ния 6С, зависящего от податливости узла защемления образца, и теп­

лового перемещения незащемленного образца с захватом 6$. При совмещении осциллограмм записи перемещения защемленного и незащемленного образцов (при испытаниях по режиму, приведен­ ному на рис. 16, б, совмещались осциллограммы суммарной и теп­

ловой деформаций для нахождения б£) из (1.3) определяется вели­ чина механической деформации образца и системы силонагружения

б£ = б? — 6С. По ее значениям и соответствующим ей значениям усилия Р так же, как и для случая неизотермической малоцикловой усталости (см. рис. 33), строится петля гистерезиса в координатах

6м, Р, с помощью которой находится величина абсолютной пласти­ ческой деформации образца за цикл.

Пластическая деформация при термической усталости может также определяться с помощью записанной в координатах темпера­ тура — усилие петли гистерезиса [150, 226).

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПУЛЬСИРУЮЩЕМ НАГРУЖЕНИИ С НИЗКОЙ ЧАСТОТОЙ

Область малоцикловой усталости по характеру разрушения можно рассматривать как область, состоящую из зон квазистатического и усталостного разрушений. По числу циклов квазистатическое раз­ рушение предшествует усталостному и наступает после реализации пластичности материала в результате его направленного деформи­ рования. Усталостное разрушение, протекающее на фоне макропластического деформирования, связано с образованием и развитием до критической величины усталостной трещины. В зоне перехода от квазистатического разрушения к усталостному предельные кри­ вые прочности и пластичности, а также скоростей циклической ползучести претерпевают перелом, положение которого зависит от асимметрии, частоты, температуры и других условий испытаний. Отметим, что если переломы на предельных кривых пластической деформации регистрируют изменение характера макроразрушения конструкционных сплавов, то переломы на предельных кривых скоростей ползучести и на кривых малоцикловой усталости свиде­ тельствуют о том, что это изменение обусловлено изменением харак­ тера деформирования и разрушения на структурном уровне.

В данной главе рассмотрены вопросы взаимосвязи характера микроразрушения и микродеформирования конструкционных спла­ вов с видом предельных кривых и характером их макроразрушения в связи с существованием в малоцикловой области двух зон разру­ шения.

Испытания на малоцикловую усталость проводились при пуль­ сирующем нагружении по режимам рис. 1, а и б с использованием установок, описанных в § 1 главы I, а также на рычажной установ­ ке типа ИП-5Ц [63].

Особенности микропластического деформирования и локального разрушения металлов исследовались рентгеноструктурным методом, а также методами оптической и электронной микроскопии с исполь­ зованием стандартного оборудования. При этом кинетика макропластического деформирования для двух видов макроразрушения изучалась параллельно с исследованием характера структурных и субструктурных изменений в материале.

§ 1. Деформирование и разрушение металлов при малоцикловом знакопеременном нагружении

При упруго-пластическом деформировании металлов с низкой час­ тотой может происходить их разрушение после нескольких сотен или тысяч циклов изменения нагрузки. В зависимости от свойств материала, уровней максимальных напряжений цикла, температу­ ры и ряда других факторов разрушение при малоцикловом нагруже­ нии может иметь различный характер и изменяться от статического к усталостному. Закономерности деформирования и разрушения ме­ таллов при циклическом нагружении в условиях повторно-стати­ ческого приложения нагрузки существенно отличаются от законо­ мерностей их деформирования и разрушения при классической многоцикловой усталости. По долговечности область малоцикловой усталости охватывает интервал чисел циклов от 0,5 (статическое разрушение) до 5 104 -т- 2 105, которому соответствует интервал максимальных напряжений цикла от предела прочности до предела упругости. Частотную границу между малоцикловой и многоцикло­ вой усталостью принято считать равной 1 гц. Определение количе­ ственной границы между двумя видами усталости по долговеч­ ности и частоте весьма условно. Основное отличие между малоцик­ ловой и многоцикловой усталостью заключается в том, что в первом случае разрушение происходит на фоне интенсивного макропластического деформирования материала, а во втором оно обусловлива­ ется микропластическим деформированием материала в локальных зонах. К настоящему времени еще не выработаны четкие количе­ ственные характеристики, которые позволили бы точно устанавли­ вать границу между двумя видами усталости, однако отличие между ними настолько существенно, что в последние годы требования прак­ тики обусловили быстрое развитие исследований в области малоцик­ ловой усталости, и эти исследования имеют самостоятельное зна­ чение.

Известен целый ряд теоретических и экспериментальных работ, рассматривающих различные аспекты прочности и деформативности металлов при малом числе циклов нагружения. Это исследования, выполненные С. В. Серенсеном и Р. М. Шнейдеровичем с сотрудни­ ками [29, 58, 122, 139, 140, 147, 157, 209, 213 и др.), В. В. Москвитиным [100—103], С. С. Мэнсоном [105, 257, 258], Л. Ф. Коффином [65, 66, 230—232], П. П. Бенхемом [7, 220], Д. А. Гохфельдом [21, 22], Н. И. Черняком и А. Д. Гавриловым [207] и др.

Изучение особенностей упруго-пластического деформирования металлов при повторных нагрузках было начато Баушингером в конце XIX века [101]. Он установил, что при пульсирующем растя­ жении сталей в пластической области наблюдается повышение пре­ дела текучести при последующих нагружениях до величин напря­ жений, от которых производилась разгрузка. При знакоперемен­ ном деформировании предел текучести при последующем сжатии (растяжении) уменьшается тем больше, чем выше напряжение при

предшествующем растяжении (сжатии). Баушингер впервые изу­ чил закономерности деформирования металлов при действии с низ­ кой частотой повторных нагрузок, вызывающих пластические де­ формации. Дальнейшее развитие его работы получили в исследова­ ниях Мазинга, Закса, Шойи и других ученых [57, 101, 128, 263, 278], которые разработали основы учения о малоцикловой усталости

иинициировали его развитие.

гПри многократном упруго-пластическом деформировании, с ко­ торым связано явление малоцикловой усталости, наиболее важным является вопрос описания взаимосвязи между напряжениями и де­ формациями с учетом кинетики от цикла к циклу напряженнодеформированного состояния. Известно, что зависимость между напряжениями идеформациями при повторных нагружениях графи­ чески описывается диаграммами циклического деформирования, ха­ рактер изменения которых во времени определяется видом нагру­ жения, степенью асимметрии цикла и циклическими свойствами материала. При циклических испытаниях нагружение может быть жестким и мягким [30, 142]. Под жестким понимают такое нагруже­ ние, при котором в процессе испытаний вплоть до разрушения об­ разца постоянной поддерживается амплитуда полной деформации. При таком нагружении от цикла к циклу в пределах полной дефор­ мации происходит перераспределение между ее упругой и пласти­ ческой составляющими, обусловливающее в общем случае изменение амплитуды действующих напряжений. ^Условия мягкого^нагруже­ ния соответствуют такому режиму испы^нийттфтгкотбром постоян­ ной поддерживается амплитуда нагрузки (напряжений). При мяг­ ком нагружении диаграмма циклического деформирования может быть незамкнутой, и в зависимости от асимметрии цикла и цикличе­ ских свойств материала в нем может происходить более или менее интенсивное накопление направленной пластической деформации, при этом циклическая деформация также изменяется [28]. В резуль­ тате систематического исследования свойств диаграмм циклическо­ го деформирования конструкционных сплавов с циклически контра­ стными свойствами С. В. Серенсен, Р. М. Шнейдерович и их ученики показали, что имеется соответствие между диаграммами при жест­ ком и мягком нагружениях [24, 29, 30, 144, 209]. С использованием принципа Мазинга [30, 101, 128, 209, 278] было введено понятие обобщенной диаграммы циклического деформирования. Обобщен­ ная диаграмма представляет собой совокупность конечных и про­ межуточных точек диаграмм деформирования отдельных образцов в &-х полуциклах и описывает зависимость между напряжениями и деформациями при жестком, мягком и промежуточных видах на­ гружения. Поэтому, располагая обобщенными диаграммами для диапазона полуциклов нагружения, можно рассчитать кинетику

деформаций при мягком и напряжений при жестком нагружениях и, зная критерии предельного состояния материала при определяю­ щем виде нагружения, предсказать его долговечность.

Р. М. Шнейдерович и Г. Г. Медекша исследовали обобщенные

диаграммы циклического деформирования в связи с условиями нагру­ жения при различных асимметриях силовых циклов [96]. Показано, что для асимметричного цикла нагружения наблюдается Соответ­ ствие остаточной деформации (ширины петли) и текущей пластиче­ ской деформации для одинаковых значений приведенных напряже­ ний, и поэтому для определенных полуциклов участки кривых деформирования в пластической области совпадают. При этом уста­ новлено, что текущие кривые деформирования совпадают с обоб­ щенными кривыми только для циклов с одинаковым коэффициентом асимметрии и не совпадают с обобщенными кривыми симметрич­ ного нагружения для всех полуциклов за исключением первого.

Для случая построения обобщенных диаграмм при знакопере­ менном нагружении металлов в условиях высоких температур не­ обходимо также учитывать влияние на особенности деформирования временных факторов и возможность протекания в материале про­ цессов направленной или реверсивной ползучести. Подходы к решению этих вопросов проанализированы в ряде работ А. П. Гусен­ кова и Р. М. Шнейдеровича [26, 31, 32, 212], в результате чего уста­ новлено, что для условий нагружения, предусматривающих вы­ держку при экстремальных напряжениях цикла, целесообразно использовать вместо обобщенных кривых деформирования изо­ хронные кривые циклической ползучести [26, 212]. Общий подход при описании напряженно-деформированного состояния в таких сложных условиях работы материала основывается на деформаци­ онной теории для активного нагружения и на теории старения для ползучести. При этом показано, что интенсивность протекания про­ цессов пластического деформирования и реверсивной ползучести в определенных условиях связана не только с режимами нагруже­ ния, асимметрией цикла, уровнем рабочих температур и степенью однородности напряженного состояния, но в значительной мере зависит также от циклических свойств металлов, которые в соот­ ветствии с установившейся классификацией можно разделить на три класса: циклически упрочняющиеся, циклически стабгльные (идеальные) и циклически разупрочняющиеся [26, 101, 144].

Циклически упрочняющиеся металлы характеризуются увели­ чением от цикла к циклу амплитуды напряжений при жестком на­ гружении и уменьшением ширины петли упруго-пластического гисте­ резиса при мягком нагружении. Для циклически стабильных метал­ лов диаграммы деформирования при жестком и мягком нагружениях в течение испытаний практически не изменяются. Для циклически разупрочняющихся металлов изменение напряжений при жестком и деформаций при мягком нагружениях обратно изменению, наблю­ даемому для упрочняющихся металлов. Следует подчеркнуть, что циклические свойства металлов могут изменяться с изменением усло­ вий испытаний. В зависимости от исходного состояния, степени ис­ ходной деформации, температуры, уровня напряжений и скорости деформирования для одного и того же материала можно получить как неизменную, так и изменяющуюся при циклическом нагружении

петлю гистерезиса [117]. Одностороннее накопление пластической деформации при знакопеременном нагружении может происходить только при мягком нагружении циклически стабильных и разупрочняющихся сплавов. Жесткие условия нагружения исключают возможность накопления деформации для всех классов метал­ лов [144].

Таким образом, кинетика процессов упруго-пластического де­ формирования, методы учета и количественной оценки которой до­ статочно разработаны благодаря рассмотренным выше работам оте­ чественных ученых, зависит от многообразных условий нагружения и свойств материала, а характер этих процессов и их интенсивность определяющим образом влияют на условия разрушения материала [5, 26, 137, 142, 209]. Величина пластической деформации за цикл (ширина петли гистерезиса) при циклическом нагружении изменя­ ется различным образом, также различным образом протекают в материалах процессы направленного пластического деформирования. В одних случаях односторонние пластические деформации могут накапливаться интенсивно, как, например, при мягком асимметрич­ ном нагружении циклически стабильных и разупрочняющихся сплавов, а также при мягком симметричном нагружении сплавов, характеризующихся циклической анизотропией. С другой стороны, жесткое нагружение в общем случае не вызывает направленного пластического деформирования, и в процессе испытаний, как отме­ чалось, происходит только увеличение (уменьшение) напряжений, связанное с уменьшением (увеличением) ширины петли упруго­ пластического гистерезиса. Таким двум типам циклического дефор­ мирования соответствуют два типа разрушения, имеющие место при знакопеременном осевом нагружении в упруго-пластической облас­ ти: усталостное и квазистатическое [5, 25—27, 95, 143], и кривая малоцикловой усталости может быть разделена на два участка, соответствующие этим двум типам разрушения. Квазистатическое разрушение наступает после реализации располагаемой пластич­ ности материала в результате достижения накапливаемой пласти­ ческой деформацией предельной величины, близко соответствующей определяемому при кратковременных испытаниях остаточному удлинению [25, 91, 92, 95, 139, 143]. Усталостное разрушение со­ провождается образованием трещин и пластическими деформаци­ ями, и его окончательная стадия связана с подрастанием трещины до критической длины и последующим вязким или хрупким доломом образца или конструкции. Мягкому нагружению, как правило, соответствуют два типа разрушения: квазистатическое и устало­ стное, а жесткому — только усталостное [5, 25]. При этом устало­ стное разрушение определяется величиной амплитудных значений напряжений afl, а квазистатическое — величиной максимальных напряжений цикла а т;1Х. Поэтому первое необходимо оценивать, например, при различной асимметрии цикла в амплитудных значе­ ниях напряжений, а второе — в значениях а тах [5, 13, 95]. Осуще­ ствление того или иного вида разрушения при мягком знакоперемен­

ном нагружении, как подчеркивается в работе [144], определяется соотношением интенсивностей накопления односторонних дефор­ маций и повреждений от действия циклических напряжений. В ре­ альных условиях деформирования материала в конструктивных элементах, например в зонах концентрации, накопление деформа­ ций и изменение напряжений может занимать промежуточное поло­ жение между мягким и жестким нагружениями, а разрушение — иметь смешанный характер.

Циклически упрочняющиеся материалы при знакопеременном нагружении чаще всего разрушаются усталостно. Если критерием, характеризующим предельное состояние материала при квазистатическом разрушении, является величина накопленной до разруше­ ния пластической деформации, равная б [91, 92, 1391, то критерий разрушения (усталостного) при циклическом упрочнении отожде­ ствляется с амплитудой разрушающих напряжений [142, 143] и формулируется следующим образом: усталостное разрушение упроч­ няющихся сплавов наступает в том случае, если увеличивающиеся в процессе циклического деформирования напряжения достигают своей предельной амплитуды при однородном напряженном состоя­ нии [144]. Так как усталостное разрушение имеет место при мягком и жестком нагружениях и критерий разрушения для двух видов нагружения один и тот же, то можно сопоставлять кривые мало­ цикловой усталости при этих двух видах нагружения в пределах участков усталостного разрушения [27, 72, 95, 141, 142]. Зная ки­ нетику изменения напряжений при циклическом деформировании материала и построив кривую малоцикловой усталости, например, при жестком нагружении, можно построить кривую усталости при мягком нагружении, и наоборот. Приведенные в работах [72, 95, 141] данные о пересчете одних кривых малоцикловой усталости в другие с учетом кинетики напряженно-деформированного состоя­ ния материала показывают, что гипотеза о взаимосвязи предельных кривых циклической прочности при мягком и жестком нагружениях подтверждается экспериментально при различных коэффициентах асимметрии цикла [95] и различной степени неоднородности напря­ женного состояния [71, 72]. Следовательно, при оценке малоцикло­ вой усталости циклически стабильных или разупрочняющихся ма­ териалов в области больших напряжений в условиях, соответствую­ щих мягкому знакопеременному нагружению, необходимо учиты­ вать только кинетику деформаций, накопление которых приведет к квазистатическому разрушению. При малых уровнях напряжений даже при мягком нагружении циклически стабильных и разупроч­ няющихся сплавов деформации накапливаются с малой интенсив­ ностью и происходит, усталостное разрушение в связи с тем, что в этом случае, как отмечается в работах [144, 209], накопление уста­ лостных повреждений протекает с большей скоростью, чем накоп­ ление односторонней деформации. Для промежуточных уровней напряжений возможно различное сочетание скоростей процессов накопления повреждений и деформаций, и поэтому разрушение

может быть смешанным, содержащим черты квазистатического и усталостного [25].

Малоцикловая усталость циклически стабильных, упрочняю­ щихся и разупрочняющихся материалов при жестком нагружении должна оцениваться с учетом кинетики напряжений, при достиже­ нии которыми величины ограниченного предела усталости произой­ дет усталостное разрушение материала. Наступление усталостно­ го разрушения в этом случае, так же как и при мягком нагружении, объясняется [25, 144] интенсивным накоплением усталостных по­ вреждений при малой скорости накопления деформаций.

Предельные значения деформаций и напряжений при знакопе­ ременном нагружении зависят от температурных условий, частоты

ис их изменением также изменяются.

С.В. Серенсен и Р. М. Шнейдерович, основываясь на результа­ тах многочисленных экспериментальных данных, полученных под их руководством, сформулировали в работе [144] гипотезу, опреде­ ляющую критерии разрушения при малоцикловой усталости. В со­ ответствии с этой гипотезой квазистатическое разрушение опреде­ ляется достигнутой величиной монотонно накопленной деформации, а усталостное — достигнутой величиной амплитуды напряжений. Первый критерий является справедливым для циклически стабиль­ ных и разупрочняющихся металлов и сплавов, работающих в усло­ виях, благоприятных для накопления деформаций, второй — для циклически упрочняющихся сплавов в зонах наибольшего стесне­ ния деформаций, когда долговечность определяется кинетикой на­ пряженного состояния.

Накопленная до разрушения в квазистатической области плас­ тическая деформация — величина постоянная, не зависящая от асимметрии цикла и вида нагружения [26, 91—93, 139]. Предельная величина напряжений определяется по соответствующим кривым малоцикловой усталости, положение которых, как известно, зави­ сит от условий испытаний, параметров силового цикла и т. д. Сле­ довательно, первый критерий при постоянной температуре является постоянной величиной, а второй — нет. Каждый из рассмотренных критериев позволяет оценить предельное состояние материала толь­ ко при определенных условиях его разрушения, формирование ко­ торых, как было показано, однозначно определяется циклическими свойствами материала и типом нагружения. Второй критерий опи­ сывает условие малоциклового усталостного разрушения в силовой трактовке [30, 142]. В работе [147] подчеркивается, что использова­ ние этого критерия не всегда целесообразно, так как при жестких режимах он не всегда учитывает нестационарность циклического нагружения на более поздних стадиях деформирования материала. Для учета последней, как показано в работе [141], может быть использовано правило линейного суммирования повреждений. Не­ достатком этого критерия также является и то, что он не может описывать предельное состояние материалов в области смешанного

иквазистатического разрушения [147]. В этом случае целесообразно