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

накопленной деформации совпадает с остаточным удлинением [175, 178, 180].

При комнатной температуре увеличение накопленной деформа­ ции по сравнению с остаточным удлинением наиболее значительно происходит в области долговечностей, близких к N n, соответствую­ щих зоне перехода. При усталостном разрушении накопленная плас­ тическая деформация значительно меньше, чем при квазистатическом, и с увеличением числа циклов происходит ее незначитель­ ное уменьшение.

Сопоставление предельных кривых пластической деформации с кривыми малоцикловой усталости и предельными кривыми скоро-

стей ползучести показывает, что характерные переломы на всех трех типах кривых происходят при одинаковых напряжениях и долговечностях, однако однозначное соответствие в исследуемых ин­ тервалах напряжений и долговечностей имеет место только между кривыми малоцикловой усталости и предельных скоростей ползу­ чести (рис. 45).

Напомним, что предельные кривые пластической деформации в условиях ползучести характеризуют предельное состояние мате­ риала при различных долговечностях. Это обосновано эксперимен­ тальными исследованиями для случая статической ползучести [2] и подтверждается приведенными выше данными для циклической ползучести. Разрушение в условиях направленного пластического деформирования материала независимо от характера приложения нагрузки (статический или циклический) происходит после реали­ зации ресурса располагаемой пластичности [213]. В области квазистатического разрушения величина этого ресурса, как было пока­ зано, с достаточной степенью точности может быть принята равной остаточному удлинению и рассматриваться как постоянная величина. В усталостной области в связи с изменением механизма деформиро­ вания и разрушения предельная величина пластической деформа­ ции существенно уменьшается.

Сопоставляя предельные кривые конструкционных сплавов, мож­ но сделать вывод о том, что при циклической ползучести в пределах областей однотипного разрушения вариации .в особенностях дефор­ мирования и разрушения материала не отражаются на его предель­ ном состоянии. Так, для сплава БрХ08 (см. рис. 45) разрывы при квазистатическом разрушении на кривых малоцикловой усталости

ипредельных кривых скоростей ползучести не отражаются на ха­ рактере кривой предельных деформаций. В то же время наблюдае­ мая тесная взаимосвязь между кривыми малоцикловой усталости

ипредельными кривыми скоростей установившейся ползучести по­ казывает, что долговечность и характер разрушения конструк­ ционных сплавов в условиях пульсирующего нагружения опреде­ ляются интенсивностью процессов направленного пластического деформирования материала на установившейся стадии.

§ 3. Результаты фрактографического исследования особенностей разрушения конструкционной стали

При разрушении конструкционных сплавов, являющихся поликристаллическими материалами, трещина проходит по телу или грани­ цам зерен, вызывая внутризеренное, межзеренное или смешанное разрушения. Характер разрушения существенно зависит от внеш­ них условий нагружения, в том числе от уровня действующих на­ пряжений и асимметрии цикла, температурных условий, частоты и характера приложения нагрузок и т. п.

При малоцикловых испытаниях, когда разрушению материала предшествует его макропластическое деформирование с низкой часто­ той, различным участкам кривой малоцикловой усталости будет соответствовать разный вид разрушения на структурном уровне [1841. На рис. 46 показана кривая малоцикловой усталости стали 15Г2АФДпс при температуре—140° С, которая, как показано выше, может быть разделена на участки квазистатического излома, цик­ лической ползучести и усталостного разрушения при макрошшстическом деформировании. Между двумя последними участками су­ ществует перелом, который соответствует изменению характера разрушения от квазистатического к усталостному.

В настоящее время известно большое число исследований, по­ священных изучению характера разрушения материалов на струк­ турном уровне и его взаимосвязи с макроразрушением. В ряде работ показано, что усталостное разрушение [110, 187, 2691 всегда будет внутризеренным, а разрушение в высокотемпературных условиях от ползучести — межзеренным [35, ПО] (следует отметить, что по­ следнее утверждение не совсем точное: детальные исследования по­ казывают, что при испытаниях на длительную прочность и ползу­ честь в случае больших уровней напряжений наблюдается внутри­ зеренное разрушение, а при более низких — межзеренное, причем перелом на кривых длительной прочности при переходе к меньшим

напряжениям сопровождается таким изменением вида разруше­ ния [206, 217, 243, 2611).

По литературным данным нельзя однозначно ответить на во­ прос о том, какой вид разрушения на структурном уровне соответ­ ствует квазистатическому и усталостному разрушениям при мало­ цикловых испытаниях. Отмечается только, что вид разрушения при малоцикловой усталости зависит от того, какой механизм деформи­ рования будет определяющим: циклической ползучести (направлен­ ное накопление пластических деформаций) или механизм, обусловли­

таниях развитие трещин проходит по границам зерен, как при ползучести, а не по телу зерен, как в усло­

виях усталостного разрушения. С увеличением температуры, умень­ шением скорости нагружения и ростом выдержки на экстремальных уровнях силового цикла вид разрушения также изменяется от внут­ ри- к межзеренному [231]. В работе [246] для высокотемпературной области приводятся даже интервалы частот, при которых один из видов разрушения будет преобладающим: при частотах менее 0,5 цикл/мин — межзеренное, более 5 цикл/мин — внутризеренное и в диапазоне 0,5—5 цикл/мин — смешанное. При этом в рас­ смотренных работах не указывается, какой вид разрушения харак­ терен для усталостного, а какой — для квазистатического уча­ стков кривой малоцикловой усталости. Только в работе [187] отмечено, что при усталостном разрушении малоуглеродистой ста­ ли в малоцикловой области образуется межзеренная трещина, и это рассматривается в качестве одного из основных отличительных признаков усталостного разрушения при малоцикловой усталости по сравнению с классической усталостью. В работе [167] по резуль­ татам исследования сплавов на основе алюминия и титана выска­ зано предположение, что при переходе от квазистатического уча­ стка к усталостному происходит изменение механизма разрушения, фиксируемое по перелому на кривых малоцикловой усталости.

Интересно, что зарождение усталостных трещин при малоцик­ ловом нагружении кцк при внутри-, так и межзеренном разрушениях [259] происходит преимущественно внутри зерен [135, 255, 259] у поверхности образна, и они первоначально распространяются вдоль максимального сдвигового напряжения в плоскостях скольжения, а затем выходят на границы зерен. Если в материалах с мартен-

статическому — смешанное, малоцикловому усталостному — внутризеренное. При этом нет принципиального различия в характере разрушения стали 15Г2АФДпс при испытаниях в условиях мало­ цикловой и классической многоцикловой усталости: в том и в дру­ гом случае при развитии усталостной трещины и при доломе образца наблюдается внутризеренное разрушение.

Металлографические исследования характера разрушения ти­ тановых сплавов в малоцикловой области, испытанных при пульси­ рующем нагружении с частотой 2 цикл/мин, также показали, что переломы на предельных кривых обусловлены изменением типа раз­ рушения на структурном уровне: квазистатическое разрушение имеет межзеренной характер, а усталостное — внутризеренной (рис. 52). Следовательно, появление переломов на кривой малоцик­ ловой усталости при переходе от участка неразрушения к участку квазистатического разрушения и от последнего к участку усталост­ ного разрушения, так же как и при высокотемпературных испыта­ ниях на длительную прочность и ползучесть, связано с изменением характера разрушения материала на структурном уровне.,

§ 4. Структурные изменения при циклической ползучести

Как показано выше, кривые малоцикловой усталости, а также пре­ дельные кривые скоростей ползучести и пластической деформации при изменении характера разрушения от квазистатического к уста­ лостному претерпевают перелом, который четко выражен незави­ симо от вида графического представления кривых.

Если появление переломов на кривых малоцикловой усталости

ипредельной пластичности связано с изменением характера микро-

имакроразрушения материала, то их появление на кривых пре­ дельных скоростей ползучести нельзя объяснить изменением вели­ чины реализованной пластичности при переходе из квазистатической области в усталостную или изменением характера макроили микроразрушения материала, так как представляемая этими кри­ выми зависимость не учитывает долговечности и описывает изме­ нение скорости ползучести от напряжения на стадии, предшествую­ щей окончательному разрушению. Следовательно, можно предпо­ ложить, что переломы на предельных кривых скоростей ползучести обусловлены изменением особенностей деформирования материала на субструктурном уровне, и двум типам макроразрушения в мало­ цикловой области предшествуют различные особенности деформи­ рования материала на субструктурном уровне, определяющие раз­ личный характер микроразрушения на структурном уровне и объяс­

няющие появление переломов на предельных кривых прочности и пластичности.

Феноменологические аспекты двойственности характера макро­ разрушения металлов и сплавов в малоцикловой области изучены достаточно подробно [90, 122, 147, 157, 187, 209]. Исследованию