книги / Сопротивление жаропрочных материалов нестационарным силовым и температурным воздействиям

Рис. 21. Влияние амплитуды на­ пряжения и температуры испыта­ ния на интенсивность накопления пластических деформаций [100].

ния (теплоустойчивая сталь) воз­ растает с понижением скорости. Возникающие при этом особен­ ности циклического упруго-плас­ тического деформирования при различных скоростях деформиро­ вания так же, как при исследо­ ваниях с повышенными темпера­ турами, но постоянной скоростью, объясняются проявлением времен­ ных процессов. При нормальной температуре и длительности, соот­ ветствующей времени деформиро­ вания, принятому в экспериментах

, влиянием временных процес­ сов можно пренебречь. С повыше­ нием температуры факторы, ответ­

ственные за проявление временных процессов, интенсифицируются, а следовательно, увеличивается влияние скорости деформирования, что выражается увеличением параметров а и р обобщенной диа­ граммы циклического деформирования с уменьшением скорости.Повышение температур усиливает влияние скорости деформирования.

Т а б л и ц а 2

Материал	т, °с	Л, MUH *	В	С
	500	0,18	0,20	_
		0,018	0,223	—
Сталь 1Х18И9Т		0,18	0,300	_
	600	0,018	0,362	—
		0,0018	0,430	—
	700	0,18	0,335	, ,
		0,0018	0,535
	350	0,18	—	0,0095
		0,0018	—	0,010
Теплоустойчивая				0,050
сталь		0,18	—
	550	0,018	—	0,200
		0,0018	—	0,200

Необратимые процессы пластической деформации при упруго­ пластическом деформировании как при нормальной, так и при повышенной температурах связаны с амплитудой напряжений и числом, циклов, а также с температурными условиями. Проведен­ ные исследования [100, 238, 241, 2501 упруго-пластического де­ формирования сплава ЭИ437В при циклическом нагружении с постоянной амплитудой напряжения и при постоянных повы­ шенных температурах показали, что на закономерности упру­ го-пластического деформирования большое влияние оказывают два фактора: величина амплитуды напряжения и температура испытания. Как следует из рис. 21, интенсивность накопления пластических деформаций тем выше, чем выше температура испы­ тания и больше амплитуда напряжения. Во всех случаях при упру­ го-пластическом деформировании после небольшого числа циклов происходит разрушение материала.

2. Разрушение материалов при циклическом изменении напряжений и повышенных температурах

Разрушение материалов при циклическом упруго-пластическом деформировании в условиях повышенных температур происходит после сравнительно небольшого (103— 104) числа циклов нагружения. В общем случае разрушение материалов при циклическом нагружении в упруго-пластической области пред­ ставляет собой сложный физико-механический процесс, зависящий от многих факторов: физико-механических характеристик мате­ риала, скорости их изменения от температуры, вида напряженного состояния, жесткости нагружения и других.

Для большей наглядности и выявления основных закономер­ ностей механизма деформирования и разрушения при повышенных температурах и упруго-пластическом циклическом деформирова­ нии рассмотрим случай, когда материал находится в условиях од­ нородного напряженного состояния (мягкое и жесткое нагружение). При повторном упруго-пластическом деформировании возможны два основных вида разрушения: квазистатическое и усталостное. Квазистатическому разрушению предшествует процесс накопления деформаций и образование шейки. По виду оно не отличается от разрушения при статическом однократном нагружении. Разруше­ нию усталостного типа предшествует процесс образования тре­ щин, пластические же деформации накапливаются менее интенсив­ но. При весьма высоких уровнях нагрузки появление трещин сра­ зу же приводит к разрушению. Во всех случаях вид разрушения связан с характером изменения сопротивления материалов упру­ го-пластическому деформированию. Квазистатическое разрушение характерно как для циклически разупрочняющихся, так и для циклически стабильных материалов, особенно при асимметричных

циклах

нагружения, дающих наиболее

^ти)р/бя

интенсивное

накопление деформаций.

В некоторых работах [251,274,3291

отмечалось

одностороннее

накопление

деформаций

при мягком

нагружении

растяжением — сжатием.

Прогресси­

рующее накопление деформаций проис­

ходило

в

сторону

растяжения,

что

объясняется отличием диаграмм

растя­

жения от диаграмм сжатия как в исход­

ном состоянии, так и в процессе

цикли­

ческого

деформирования.

Односторон­

нее

накопление деформаций наблюда­

лось

также при пульсирующем

нагру­

жении

растяжением

[274, 329, 3591.

Накопление деформаций при том или

ином виде нагружения зависит от сте­

пени жесткости нагружения. При нагру­

жении

с постоянными экстремальными

значениями

деформаций

накопление

аластических деформаций, естественно,

деформаций ёр

и напряже­

ограничено. Поэтому разрушение

всех

ний (Отах)р при однородном

материалов

в этом случае

имело уста­

напряженном

состоянии

лостный

характер и происходило

в ре­

[249].

зультате

накопления повреждений. В

общем случае нагружения

может происходить

как усталостное,

так

и

квазистатическое

разрушение,

а также промежуточное

в зависимости от соотношения между процессами накопления

деформаций

и повреждений.

G.

В. Сервисен и Р. М. Шнейдерович, основываясь на экспе­

риментальных данных [249], полученных при испытаниях материа­

лов с выраженным накоплением пластических

деформаций, пред­

ложили схему предельных деформаций и напряжений

при одно­

родном напряженном состоянии и различных асимметриях

цикла

(рис.

22). Участок

АВ соответствует

преимущественно

квази-

статическому разрушению. Предельная накопленная пластическая деформация в этом случае очень слабо зависит от числа циклов до разрушения. При растяжении — сжатии она равна деформации разрыва однократным статическим растяжением. Предельное на­ пряжение мало зависит от асимметрии цикла —г, так как интен­ сивность накопления деформаций определяется главным образом наибольшим по абсолютной величине напряжением цикла ПтахПри симметричном цикле нагружения (г = —1) процесс накопле­ ния деформаций может не происходить. При этом участок квазистатического разрушения отсутствует. Участок В В Г кривых пре­ дельных напряжений и деформаций является переходным. Здесь процессы накопления деформаций и усталостных повреждений со­ поставимы по интенсивности. Протяженность переходного участка

зависит от своёств материала и степени асимметрии цикла. Предполагается, что переход от квазистатического к усталостному разрушению осуществляется в точке К и сопровождается уменьше­ нием деформации. Участок В'С соответствует усталостному раз­ рушению. Разрушение в основном зависит от амплитуды напряже-

НИИ	(Тд.
В	координатах с шах — N предельные напряжения для раз­

личных асимметрий цикла даются семейством aaNn — const. Из схемы видно, что накопленные деформации при этом невелики. Участка В В ' кривой усталости при мягком нагружении не будет, так как накопленная деформация достигает предельного значения раньше, чем успевает развиться трещина усталости. Участка В В ' кривой предельных деформаций также не будет, так как накопле­ ние усталостных повреждений приводит к разрушению от усталос­ ти раньше, чем достигается предельная деформация.

Для определения условий разрушения материалов при наи­ более простых случаях нагружения и особенно при реверсивном одноосном циклическом нагружении получены аналитические зависимости.

Мэнсоном, а несколько позднее Коффиным была предложена зависимость между пластической деформацией за цикл и числом

циклов до разрушения в виде
вщЛГ - М,	(1.24)
где еПл — пластическая деформация за цикл, N — число	циклов
до разрушения, а, М — константы материала.

Уравнение (1.24) позднее было использовано многими исследо­ вателями и в настоящее время рассматривается как основное для определения долговечности при малом числе циклов нагружения. При этом предполагается, что пластическая деформация не меняет­ ся от цикла к циклу, однако это справедливо лишь для циклически стабильных материалов, а в общем случае с увеличением числа цик­ лов она уменьшается или увеличивается (см. рис. 15).

На основании экспериментальных исследований [209, 210] было установлено, что весь период нагружения по характеру из­ менения 8ПЛ можно разбить на три периода: первый — заметное уменьшение или увеличение епл; второй — слабое изменение епл; третий — увеличение епл, заканчивающееся разрушением. По­ этому обычно берется величина епл, соответствующая второму периоду.

По данным Мэнсона, для большинства материалов стабилиза­ ция наступает при достижении половины общего числа циклов до разрушения. Единого определения понятия разрушения нет. Одни исследователи считают разрушением появление первой тре­ щины, другие — трещины определенной глубины, а некоторые — фактическое разрушение.

Д ля определения долговечности при малом числе циклов на-

груженин, особенно в области промежуточных долговечностей, кроме формулы (1.24) пользуются формулой

«та -	« Ъ	(1.25)
где еуп — упругая деформация за цикл; G, у — постоянные; Е —
модуль упругости материала.
Зависимость (1.25) была экспериментально подтверждена для
большого числа материалов при долговечности		10—10® циклов
[3 9 3 -3 9 7 ].

В общем виде целесообразно применять зависимость, которая

получается при суммировании выражений (1.24) и (1.25):
		е =	MN~a + -J- ЛГу,		(1.26)
Где 8 — буп	8пл*
Зависимость (1.26) в логарифмических координатах не являет­
ся линейной. Для определения постоянных у, G, а, М надо про­
вести минимум два испытания при жестком нагружении.					Тогда
		_	log (Aat) — log (Ago) .		(1.27)
		*	logJVj — logJV2	’
		G = AojiV7v или G = Дст2ЛТ~у;
			log £n	Да,
	a = ------ ---------:----------				(1.28)
			log Ni — log N2
M		Aax•j	или M = |.s2	Да, N1
	" (■	E

Здесь Aoj; Дсг2 — размах напряжений в цикле на участке стабили­ зации, соответственно при первом и втором испытаниях; Nlf N2 — число циклов до разрушения соответственно при первом и втором испытаниях; ех; е2 — деформация за цикл при стабилизации.

Среднее значение у, по данным Мэнсона, 0,12					. В общем диапа­
зон изменения у = 0,06	-г- 0,16.
При практических проектировочных расчетах могут быть ис­
пользованы зависимости, полученные Мэнсоном:
е = - г 1п( - п М		N	2	+ ^Е	(1.29)
М = 0,827 In ( - J - A ^ ) [ l			-	82 ( i - ) 0'" 9] i
а = 0,52 + 0,25 log [in	)] -	4 -	lo g [l - Ц		- ? - ) ( % ) '
					(1.30)

; Y = - 0 ,0 8 3 - 0 ,1 6 6 log

M = 0,827 In

a = 0)52 -f-

+ 0,25 log fin (T 4 ^ - ) ] - - r IoS [ ! ~ 166

V — — 0,013 — 0,13 log

(1.31)

где <тв.д — действительное временное сопротивление материалов. В настоящее время большое внимание уделяется вопросам малоциклового разрушения при повышенных температурах, на­ ходящихся в непосредственной связи с явлением термической уста­ лости. Пластичность и разрушение материалов в этом случае не­ обходимо рассматривать в температурно-временной зависимости, так как характер нагружения во времени приобретает важное зна­ чение. Поэтому в ранее полученные зависимости малоциклового разрушения необходимо вводить параметры, учитывающие час­

тоту и форму цикла нагружения.

В исследованиях [237, 2 5 3 ,2 9 7 ,3 3 8 , 358,362, 363, 4641, резуль­ таты которых были обобщены в работе [237], предложены формулы для определения числа циклов и времени до разрушения в зависи­ мости от частоты нагружения [2371:

1

(1.32)

i

(1.33)

где а — показатель степени в уравнении малоцикловой усталости для металлов при нормальных температурах, к* — показатель степени в уравнении типа vk*t — Cv, при этом Cv зависит от исходной пластичности металла и амплитуды пластической де­ формации.

Из приведенных уравнений как частные случаи вытекают из­ вестные зависимости еплЛ^“ = М для кривой малоцикловой уста­ лости во вневременной трактовке и еплга = М для кривой дли­ тельной прочности во временной трактовке (к* да 0).

Зависимости (1.32), (1.33) могут использоваться для интерпо­ ляционной оценки влияния частоты нагружения на число циклов до разрушения и время при циклическом деформировании с задан­ ной амплитудой пластической деформации (8ПЛ)-

Исследования, приведенные в работах [338, 362, 363], показали соответствие такой интерполяции опытным данным. Отмечалось, что для исследуемых материалов показатель степени к* не зависит

от амплитуды деформации, а показатель степени

не зависит от

частоты. Также было показано, что для ряда теплостойких сталей в интервале температур 500—800° С показатель степени /с* был близок к единице (0,8—0,9), что свидетельствует о преимуществен­ ной роли усталостного повреждения при непрерывном цикличес­ ком деформировании в широком интервале значения частот. При

v = — зависимость (1.32) может быть переписана:

х

1

(1.34)

где т — период цикла, который может также рассматриваться как длительность выдержки.

Данная зависимость была проанализирована экспериментально [10] при исследовании стали 1Х18Н 9Т, причем показано существен­ ное влияние длительности цикла т на показатель степени а. Так, например, при температуре 700° С увеличение т от 1,25 до 12 мин привело к увеличению а от 0,53 до 7,35.

В работе [297] приведены исследования теплоустойчивой цик­ лически упрочняющейся стали ЭИ847 с жестким нагружением при различных выдержках и температуре 600° С. Данные представле­ ны в форме семейства кривых малоцикловой усталости (рис. 23, а) в амплитудах суммарной деформации по параметру длительности цикла. Здесь же показаны кривые малоцйкловой усталости, рас­ считанные по уравнению Мэнсона [394]

(1.35)

описывающему сопротивление материала разрушению при непре­ рывном циклическом жестком деформировании.

Предел прочности ав, истинное удлинение в шейке при разрыве

8В, показатели степенна и р зависят от температуры. Уравнение (1.35) при данной температуре характеризует в основном прояв­ ление накопления усталостного повреждения при незначительном наложении длительного статического повреждения. При увеличе­ нии длительности цикла (выдержки) число циклов до разрушения при данной амплитуде деформаций будет уменьшаться за счет за­ мещения усталостного повреждения длительным статическим и, естественно, кривая малоцикловой усталости будет смещаться влево

Рис. 23. Кривые малоцикловой усталости для стали ЭИ847 в за­ висимости от длительности цикла (а) и по параметру длительного статического повреждения [297] (б):

1 — т =	0,5 мин; 2 — т = 4 мин\		з — т = 50 мин\ 4— кривая, рассчитан­
ная по уравнению Менсона.
\Х----- # /	-----		работе [297]			уравнение	(1.35) пред-
ставлено в	следующей форме:
			,		1	1 у5	(1.36)
	E = 0’5 (~D F ) +			Е	\ DN 1
Здесь N — абсциссы исходной			кривой		малоцикловой		усталости;
D — накопленное		длительное	статическое			повреждение, которое
определяется так		[297, 3593:

D =

или

N (Ч к в

(1.37)

*ст

D =	NvX
	(1.38)
	(^ст)экв

где /Ст — время до разрушения при непрерывном действии напря­ жения о0; (*ст)Экв — величина, определяемая по средней за цикл скорости накопления деформаций при релаксации

еср —	(1.39)
	т

По значению еср из результатов обыч- Цт ных испытаний на ползучесть опреде­ ляется соответствующее эквивалентное напряжение (о)экв и по данным длитель-. ных статических испытаний находится соответствующее время до разрушения

Ьг 1

— « н /

к

/

(^ст)экв (Г)экв«

		2	е'(ст) 8t	(1.40)	(ц),
	Т'ЭКВ --		8Ю
	Здесь е (а0) — скорость			ползучести	Рис. 24. Зависимость	уста­
					лостного повреждения от
	при начале
		выдержки; е (а) — скорость tv (253] ((ва)1 > (ба)2 >				(®д)з)*
	ползучести	как	функция от	напряже­

ний на данной стадии релаксации при выдержке в условиях на­ гружения с заданной деформацией; Ы — отрезки времени релак­ сации, в пределах которых ot принималось постоянным.

На рис. 23, б показано, как кривые малоцикловой усталости (ЭИ847) при Т = 600° С в зависимости от параметра D смещаются влево. Аналогично по параметру длительного статического по­ вреждения можно построить кривые длительной прочности по па­ раметру усталостного повреждения.

Если температура испытания повышается, то при наличии до­

статочно больших выдержек		при максимальных напряжениях,
по-видимому, возможно	рассматривать малоцикловые		разруше­
ния на основе характеристик длительной статической			прочности
[253]:		1
U ^	Nv&t	(т>f t *	(1.41)

При данной деформации епл с увеличением выдержки т tv стремит­ ся к tB, т. е. ко времени, необходимому для длительного статичес­ кого разрушения материала. Как видно из рис. 24, с уменьшением

тусиливается относительное влияние усталостного повреждения

ивремя ty уменьшается. В этом случае отношение потерянной дол­ говечности 6* к полному времени разрушения от длительного ста­ тического разрушения 6* + b для данного т слабо зависит от

величины 8Пл* Зависимость Я =

— ь*ь*

от т для сплава

	5	6 7 8Т,т
Рис. 25. Зависимость к от		т:
1 — 1Х18Н9Т	(Т =. 7оов с); г. з и 4 —
ЭИ437Б (Г =	750, 8оо и 850° с соответ-
ствсшю) [253].

ЭИ437Б при различных темпе­ ратурах показана на рис. 25.

В условиях малоциклового нагружения с заданной амплитудой нагрузки и выдержками в об­ ласти высоких напряжений при

повышенных температурах возникает монотонное накопление

Г--

	42,5		,	А		А з ?	;
			t e	- 2
	25		-с____3
				1	--■ “Г.	у’ ' ' * *
				Ч *	-г	- 5 ^
	/4	4 1 ^	-		А
				Ю31,4 0,1 0,1	1	10	w*t,4
	0,1	Ю	10*
						5

Рис. 26. Кривые малоциклового сопротивления для хромистой стали (11% Сг) при Т = 600° С (а) и накопления пластических деформаций (б) в зависимости от длительности цикла.

деформаций ползучести. Время до разрушения материала с пони­ жением частоты и увеличением длительности выдержки при данной амплитуде напряжений ста уменьшается. Кривые малоциклового сопротивления для хромистой стали (11% Сг) при температуре 600° С, построенные в зависимости от времени, приближаются к кривой длительной статической прочности (рис. 26, а) [4661. При этом имеет место ускорение накопления деформаций ползучести епл» которая менее интенсивно накапливается при циклическом нагру­ жении с более высокой частотой без выдержек, а очень быстрое ее накопление происходит при длительном статическом нагружении. В работе [466] (рис. 26, б) показано, что значение накопленной деформации ползучести на стадии разрушения для данного уровня напряжений (отах = 39 кГ/мм2), несмотря на то что время до разрушения может быть различным, является относительно ус­ тойчивым. Это указывает на преимущественную роль односторонне накапливающейся деформации как критерия разрушения. Однако в зависимости от температуры, длительности выдержки и асим­ метрии цикла относительное влияние статического и усталост­ ного повреждения меняется.

3. Пластичность и разрушение материалов при повышенных температурах и программном изменении напряжении

Проведенные исследования поведения ма­ териалов при повышенных температурах и нестационарном на­ гружении свидетельствуют о том, что пестационарность нагруже­ ния оказывает значительное влияние на основные характеристики прочности и долговечности материала. В работах [161, 183, 184, 2001, в отличие от предыдущих, приводятся результаты исследова­ ния поведения жаропрочных материалов при повышенных темпе­ ратурах и программном нагружении (рис. 27, а) и данной величине изменения напряжения (До = Omin £3 ошах = const). Все про­ граммы нестационарного нагружения при данном интервале изме­ нения напряжений могут быть охарактеризованы уравнением (1.1). Скорость нагрузки и разгрузки во всех программах оставалась