Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Малоцикловая усталость при сложном термомеханическом нагружении..pdf
Скачиваний:
27
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
9.06 Mб
Скачать

А.Г. Казанцев

Малоцикловая усталость при сложном термомеханическом нагружении

Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2001

УДК 621:539.43.001.24 ББК 34.4

К14

Рецензент д-р техн. наук Г. С. Васильченко

К14 Казанцев А.Г. Малоцикловая усталость при сложном тер^ момеханическом нагружении. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. —248 с.

ISBN 5-7038-1822-2

Рассмотрены вопросы расчета на малоцикловую прочность высоконагруженных элементов конструкций при сложных режимах механичес­ кого и температурного воздействия. Приведены результаты эксперимен­ тального исследования процессов упругопластического деформирования и разрушения материалов, а также разработанные на этой основе кри­ терии малоциклового разрушения и уравнения связи между напряже­ ниями и деформациями. Описаны методы оценки напряженно-дефор­ мированного состояния при циклических нагружениях.

Для инженерно-технических работников.

УДК 621:539.43.001.24 ББК 34.4

 

© ГНЦ ЦНИИТМАШ, 2001

 

© Издательство МГТУ

ISBN 5-7038-1822-2

им. Н.Э. Баумана, 2001

Предисловие

Высоконагруженные и маневренные конструкции часто эксплуатируются в условиях сложного термомеханического на­ гружения. При многократных изменениях тепловых и силовых нагрузок в наиболее напряженных зонах возникают знакопере­ менные упругопластические деформации материала, которые могут привести к износу конструкции по критериям малоцик­ ловой усталости.

Малоцикловая прочность конструкций зависит от многих факторов. К их числу относят: уровень циклических и одно­ сторонне накопленных деформаций, вид траектории деформи­ рования, степень объемности напряженного состояния, диапа­ зон изменения температуры, сдвиг фазы циклов деформации

итемпературы, скорость деформации, наличие выдержек и др. При длительном нагружении протекающие в материале про­ цессы вызывают изменение его механических свойств, старение

иснижение его деформационной способности. Важное значе­ ние имеет исходное состояние материала конструкции. Прояв­ ляющаяся в ряде случаев анизотропия механических свойств, приобретенная металлом в результате первичной механической

итепловой обработки, такой как ковка, прокатка и т.п., при­ водит к зависимости деформационных и прочностных харак­ теристик материала от ориентации действующих напряжений

идеформаций относительно осей анизотропии.

Основные подходы к оценке малоцикловой прочности нашли отражение в серии монографических публикаций, посвященных вопросам сопротивления материалов и элементов конструкций упругопластическому деформированию и разрушению:

«Прочность при малоцикловом нагружении» (1975) —изло­ жены методы оценки малоцикловой прочности конструкцион­ ных материалов и методов их испытаний, приведены экспери­ ментально обоснованные закономерности деформирования и разрушения материалов в рассматриваемых условиях нагруже­ ния; «Поля деформаций при малоцикловом нагружении» (1979) —приведены методы и результаты исследований напря­ жений и деформаций в зонах концентрации, их кинетика по циклам нагружения и условия достижения предельного состо­ яния; «Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении» (1979) —описаны закономерности

сопротивления малоцикловому деформированию и разруше­ нию в области высоких температур; «Уравнения состояния при малоцикловом нагружении» (1981) —обобщены полученные к этому времени результаты по описанию поведения материалов в условиях циклического упругопластического деформирова­ ния для различных случаев нагружения, включая неоднородное напряженное состояние, температурно-временную кинетику свойств материалов; на основе соответствующих феноменоло­ гических зависимостей и модельных представлений дано опи­ сание указанных процессов деформирования; «Прочность кон­ струкций при малоцикловом нагружении» (1983) —рассмотре­ ны вопросы малоцикловой прочности элементов конструкций различных типов оборудования, для которых проводится мо­ делирование эксплуатационных режимов по частотам, темпе­ ратурам и времени и приводятся методы расчета на прочность и долговечность при циклическом нагружении с учетом спе­ цифики условий их работы; «Разрушение при малоцикловом нагружении» (1988) —описаны закономерности разрушения на стадии образования и развития трещин, приведены основные закономерности упругопластического деформирования кон­ струкционных материалов при высокотемпературном малоцик­ ловом нагружении.

Настоящая монография посвящена обоснованию методов расчета на малоцикловую усталость при сложных режимах тер­ момеханического нагружения, включая экспериментальное ис­ следование закономерностей циклического деформирования и разрушения материалов (в зависимости от формы циклов на­ гружения и нагрева), разработку на этой основе соответствую­ щих уравнений состояния и критериев разрушения, а также методов анализа напряжений и деформаций в элементах кон­ струкций с учетом поциклового изменения свойств материала и истории нагружения.

Широкая программа исследований позволила выявить вли­ яние основных параметров циклов нагружения и нагрева на долговечность и получить базовые кривые термомеханической усталости различных типов материалов —сталей Х18Н9, ЭИ654, ЭИ-696А, 12Х18Н10Т, 22К, 15Х2МФА, Р2М, 38ХНЗМФА, 5ХНМ, жаропрочных никелевых сплавов ВЖ-98, ВЖЛ-12У и других материалов.

В монографии приведены данные о влиянии на малоцик­ ловую усталость диапазона и характера изменения температуры

в цикле, скорости деформирования, сдвига фазы циклов де­ формации и температуры. Предложены критерии разрушения, учитывающие различную повреждаемость материала в полуциклах растяжения и сжатия, а также поцикловую историю деформирования при нерегулярных режимах нагружения. Экс­ периментально обоснован метод схематизации процессов на­ гружения и условия суммирования усталостных и квазистатических повреждений в случае накопления односторонних не­ обратимых деформаций.

Исследованы закономерности накопления малоцикловых повреждений в анизотропных материалах (листовой прокат стали 03Х16Н9М2, 12Х18Н10Т, поковка стали 15Х2НМФАА) при различных видах пропорционального и непропорциональ­ ного нагружения. Нагружение осуществлялось при комбини­ рованном растяжении—сжатии и кручении по лучевым траек­ ториям, двухзвенным ломаным с различной последовательнос­ тью приложения угловой и осевой деформации, а также по траекториям в виде эллипса и круга. Используя предположение о том, что для разрушений по типу нормального отрыва дол­ говечность коррелирует с работой нормальных компонентов напряжений на соответствующих деформациях, получено кри­ териальное уравнение малоцикловой усталости, параметры ко­ торого зависят от ориентации напряжений и деформаций от­ носительно осей анизотропии материала и формы петель гис­ терезиса при пропорциональном и непропорциональном на­ гружениях. Показано удовлетворительное соответствие экспе­ римента и расчетов, выполненных на основе предложенных соотношений при различных видах нагружения, в том числе вызывающих расслаивание материала в наиболее слабом Z-на- правлении.

Описание закономерностей малоциклового деформирова­ ния исследованных материалов при неизотермическом нагру­ жении дано с позиций деформационной теории пластичности с использованием концепции обобщенной диаграммы цикли­ ческого деформирования. Это позволило представить уравне­ ния связи между напряжениями и деформациями в полуцикле в виде конечных соотношений, параметры которых зависят от величины необратимых деформаций в предшествующих полуциклах нагружения. При непропорциональном нагружении ис­

пользован подход, в соответствии с которым непропорциональ­ ное нагружение приближенно заменяется рядом последователь­ ных пропорциональных нагружений из исходного в полушосле состояния с учетом смешения поверхностей текучести на пред­ шествующих этапах нагружения.

Рассмотрены методы оценки напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений. Приведены интер­ поляционные соотношения, базирующиеся на модифицирован­ ном соотношении Нейбера в дифференциальной форме, учиты­ вающие историю термосилового нагружения, а также примени­ тельно к анизотропным материалам, описываемым теорией плас­ тического течения Хилла, соотношение, вытекающее из анализа работы номинальных и местных упругопластических деформа­ ций. Выполнен анализ погрешностей, возникающих при расчете кинетики циклического деформирования элементов конструкций при использовании ряда приближенных подходов к описанию циклических свойств материала.

На основе разработанных методов расчета на малоцикловую прочность, а также экспериментально полученных базовых ха­ рактеристиках материалов проведено расчетно-эксперименталь­ ное исследование малоцикловой долговечности образцов с зона­ ми концентрации (при термомеханическом и непропорциональ­ ном нагружении, а также на материалах с исходной анизотропией деформационных и прочностных свойств) и конструктивных эле­ ментов (штамп для горячей объемной штамповки, сильфонный компенсатор температурных перемещений, замковое резьбовое соединение бурильных труб). Обосновано достаточное соответ­ ствие фактической малоцикловой долговечности, рассчитанной в соответствии с разработанными методами.

Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами прочности материалов и конструкций, в первую очередь, вопросами прочности при циклическом термомеханическом нагружении с образованием пластических деформаций.

Член-корреспондент Российской академии наук

Н.А. Махутов

ГЛАВА 1

СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ ПРИ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

1.1. Влияние диапазона изменения температуры, скорости деформирования и сдвига фазы циклов деформации и температуры на долговечность

В реальных условиях эксплуатации элементы высоконагруженных и теплонапряженных машин и конструкций могут подвергаться действию широкого спектра механических нагру­ зок на фоне нестационарных температурных полей. Такие ре­ жимы эксплуатации характерны для деталей авиационных дви­ гателей, элементов энергетических турбоустановок, атомных реакторов и других конструкций.

Переходы с одного режима работы на другой, пуски, оста­ новы, аварийные ситуации вызывают изменение силовых и температурных параметров цикла и обуславливают в общем случае нерегулярный по числу циклов характер накопления повреждений.

К числу основных факторов, определяющих повреждае­ мость материала при малоцикловом нагружении, относятся амплитуда нагрузки (деформации), уровень максимальной и минимальной температур, сдвиг фазы силового и температур­ ного циклов. Важное значение имеет также характер изменения нагрузки и температуры во времени, а также общее время деформирования. Длительность циклов нагружения может со­ ставлять от нескольких секунд Д° десятков часов. В связи с

этим в ряде случаев знакопеременное упругопластическое де­ формирование материала сопровождается температурно-вре­ менными явлениями, в том числе ползучестью и деформаци­ онным старением.

В настоящей главе приводятся результаты систематических исследований малоцикловой термомеханической усталости при различной форме и длительности температурно-силовых цик­ лов. Испытания проводились в условиях растяжения—сжатия на универсальных электромеханических испытательных маши­ нах типа УМЭ-10ТП, УМ-10 и др., оборудованных для прове­ дения неизотермических испытаний и позволяющих независи­ мо осуществлять нагружение и нагрев образца по заданным программам. Широкие возможности, которыми обладают ма­ шины указанного типа, позволили провести испытания при жестком и мягком нагружениях при линейных изменениях во времени нагрузки (деформации) и температуры с варьируемой фазой наложения силового и температурного цикла, а также при ступенчатом изменении температуры в цикле —при пере­ ходе нагрузки через нулевое значение (рис. 1.1, а—ё). Кроме

Рис. 1.1. Режимы неизотермического нагружения

того, нагружения осуществляли с введением в цикл выдержек в экстремальных и промежуточных точках цикла, при варьи­ ровании скорости деформирования, в том числе и в момент перехода через нулевое значение напряжений (рис. 1.2, а-к).

В испытаниях использовали сплошные цилиндрические и кор­ сетные образцы с диаметром рабочего сечения 6—10 мм. Нагрев образцов осуществляли прямым пропусканием электрического тока с использованием охлаждаемых токоподводящих шин (рис. 1.3). Измерение деформаций проводили с помощью по­ перечного экстензометра. Осевую деформацию определяли по поперечной пересчетом через упругий (v = 0,3) и пластический (v = 0,5) коэффициенты Пуассона [1]. В процессе испытаний на двухкоординатных приборах регистрировали диаграммы циклического упругопластического деформирования с автома-

газированной компенсацией деформации, обусловленной тем пературным расширением образца.

Рис. 1.3. Схема установки охлажааемых токоподводящих шин на образце:

1 —клеммы; 2 —образец

Для осуществления нагружений со ступенчатым изменени­ ем температуры в цикле (см. рис. 1.1, в—е) в момент перехода через нулевое значение напряжений происходило переключе­ ние машины с жесткого режима (управление по деформации) на мягкий (управление по силе) и осуществлялась выдержка, в течение которой при нулевой нагрузке температура изменя­ лась до заданного значения. Затем режим управления машиной снова изменяли на жесткий и нагружение продолжалось при постоянной в полуцикле температуре. Методика испытаний подробно описана в работах [1—3].

Широкая программа исследований позволила выявить вли­ яние основных параметров циклов нагружения и нагрева на долговечность и получить базовые кривые термомеханической малоцикловой усталости при жестком нагружении различных материалов: сталей типа Х18Н9, ЭИ-654 (15Х18Н12С4ТЮ), ЭИ-696А (Х12Н20Т2Р), 12Х18Н10Т, 22К, 15Х2МФА, Р2М, 38ХНЗМФА, 5ХНМ, жаропрочных никелевых сплавов ВЖ-

98(ХН60ВТ), ВЖЛ-12У, алюминиевого сплава Д16Т и высо­ копрочного чугуна ХНМ.

Из полученных результатов следует, что число циклов до разрушения (образования трещины длинной 0,5... 1,0 мм) в значительной степени зависит от фазы наложения циклов на­ гружения и нагрева. Для материалов, располагаемая пластич­ ность которых не зависит от уровня температур или уменьша­ ется с увеличением температуры, наиболее неблагоприятным режимом нагружения, дающим максимальный повреждающий эффект, является синфазный режим нагружения. Число циклов до разрушения при данном виде нагружения может быть в 10—15 и более раз меньше, чем при противофазном режиме или в изотермических испытаниях (рис. 1.4). Результаты испы­ таний при противофазном нагружении в большинстве случаев оказываются близки к данным изотермических испытаний при

максимальной температуре цикла. Степень снижения долговеч- Д£р,г

%

10':

10’

1 (f

103

10*Нг

Рис. 1.4. Кривые малоцикловой усталости сталей Х18Н9, 15Х2МФА и ЭИ-654 (условные обозначения приведены в табл. 1.1)

ности при синфазном нагружении зависит от типа материала и диапазона изменения температуры. В исследованных случаях нагружения наибольший повреждающий эффект при синфаз­

ном

режиме отмечен у

следующих материалов: ВЖЛ-12У

( Т -

200...1000°С), ВЖ-98

= 200...800°С), Х18Н9 =

= 150...650°С), 12Х18Н10Т, ЭИ-696А (Г = 150...650°С), ЭИ-654 (Т = 200...700°С) (рис. 1.4—1.6).

Рис. 1.5. Кривые малоцикловой усталости никелевого сплава ВЖЛ-12У, алюминиевого сплава Д16Т и чугуна ХНМ

Марка стали

Х18Н9

15Х2МФА

ЭИ-654

Условные обозначения к рнс. 1.4

Температура Т>°С

Обозначение

500

550

д

 

600

M r

650

700

650*150

т

150*650

650* 150

X

650 * 150

а

100

V

500

-O'

500* 100

д

100*500

0

200

V

600

700

 

600 * 200

 

200*600

э

700*200

А

Режим по рис. 1.1

Т = const То же

»

»

»

г

д

б

а

Т= const То же

а

б

Т= const То же

»

а

б

а

Для материалов, эксплуатирующихся при более низких тем­ пературах, —сталей марок 15Х2МФА (Т = 100;±500оС), Р2М (100 500 °С), 38ХНЗМФА (100 г 600°С), 22К (150 * 300 °С) - снижение долговечности при синфазном нагружении было су­ щественно меньше или практически отсутствовало (рис. 1.4, 1.7, 1.8).

Большинство результатов, приведенных выше, получено при линейной форме температурного цикла, когда максимум и минимум температуры достигаются в экстремальных точках цикла. На практике, естественно, возможны и другие режимы нагрева. Очевидно, что повреждающий эффект, отмеченный при синфазном нагружении, будет максимален, если темпера-

тура изменяется ступенчато, т.е. максимальная температура будет действовать в течение всего полуцикла растяжения, а в полуцикле сжатия будет поддерживаться минимальная темпе­ ратура.

Рис. 1.7. Кривые малоцикловой усталости стали 38ХНЗМФА

Рис. 1.8. Кривые малоцикловой усталости сталей 22К и Р2М

Степень снижения долговечности при синфазном линейном

иступенчатом нагружениях в зависимости от уровня Ттах показана для сталей 12Х18Н10Т, Х18Н9 и ЭИ-654 на рис. 1.9

и1.10. Здесь NQ - долговечность при 7 ^ = const, N - долговечность для рассматриваемого режима нагружения. От­ сюда видно, что при ступенчатом режиме изменения темпера­ туры дополнительное снижение долговечности может быть в 2—2,5 раза. Кривые, представленные на рис. 1.9 и 1.10, постро­ ены по данным испытаний при 7 ^ = const и ер = const.

Рис. 1.9. Относительное снижение долговечности стали 12Х18Н10Т при неизо­ термическом и изотермическом нагружениях в зависимости от 7 ^ :

7 - неизотермическое синфазное нагружение - ступенчатый цикл; 2 - неизотермическое синфазное нагружение - линейный цикл; 3 - изотермическое нагружение; 4 —расчет по (1.12) для неизотермического синфазного нагружения по линейному циклу

Существенное влияние на степень снижения долговечности при синфазном режиме нагружения оказывает диапазон изме­ нения температуры и уровень 7^^. При одинаковом перепаде температур больший повреждающий эффект отмечен в тех случаях, когда температура изменялась в области высоких зна­ чений. Варьирование уровня 7’тах для противофазных режимов не приводило к существенному изменению долговечности [4]. Изменение уровня температуры при изотермических испыта-

ниях данных материалов в диапазоне 150...650 °С слабо влияет на величину долговечности при том же размахе пластических деформаций (см. рис. 1.9, 1.10).

300 400 500 600 700

Т ж . ' С

Рис. 1.10. Относительное снижение долговечности сталей ЭИ-654 и Х18Н9 при

Т = var и Т = const в зависимости от Г „ max

Как отмечалось выше, на практике возможны режимы на­ гружения, когда момент достижения максимального и мини­ мального уровней температуры не совпадает с экстремальными точками цикла, т.е. имеет место сдвиг фазы циклов нагружения и нагрева. Для исследования влияния указанного фактора на стали 12Х18Н10Т были проведены испытания, в которых при заданной линейной форме температурного цикла положение точки Гтах на петле упругопластического гистерезиса варьиро­ валось, как показано на рис. 1.11 изменением угла сдвига фазы циклов деформации и температуры через 60°. Синфазному режиму соответствует угол сдвига <р = 0, противофазному — Ф = 180°. Влияние сдвига фазы на долговечность отражено в табл. 1.2 для двух уровней амплитуды пластической деформа­ ции.

Рис. 1.11. Положение точки Ттах на петле гистерезиса в зависимости от угла сдвига фазы

Таблица 1.2

Влияние сдвига фазы на долговечность

Ф, град

v %

Nf

в,. %

Nf

0

0,6

. 150

1,5

20

60

0,5

240

1,4

15

120

0,6

220

1,4

75

180

0,5

800

1,4

120

240

0,5

740

1,5

100

300

0,55

700

1,5

94

Как следует из данных результатов, изменение указанного параметра наиболее существенно при положении точки Гтах в полуцикле растяжения (<р = 0 — 120°).

Влияние фазы циклов нагружения —нагрева и диапазона изменения температуры в цикле на долговечность находится в определенной зависимости от характера изменения величины располагаемой пластичности с увеличением температуры и дли­

тельности нагружения [5, 6]. Для большинства исследованных материалов, за исключением чугуна ХНМ и алюминиевого сплава Д16Т, располагаемая пластичность либо уменьшалась с увеличением температуры и времени нагружения, либо остава­ лась стабильной (см. п. 1.3). При циклическом растяжении - сжатии определенное влияние на скорость исчерпания распо­ лагаемой пластичности материала оказывают знак и величина действующих напряжений. Как известно, действие сжимающей нагрузки способно привести к частичному залечиванию дефек­ тов. С увеличением температуры эффект залечивания обычно усиливается [7]. Растягивающие напряжения оказывают обрат­ ное воздействие, т.е. приводят к усилению повреждаемости. Причем для материалов, предельная пластичность которых уменьшается с увеличением температуры, повышение темпе­ ратуры испытаний интенсифицирует процесс разрушения. В связи с этим для указанных материалов наиболее повреждаю­ щим является синфазный режим нагружения.

Если располагаемая пластичность материала возрастает с увеличением температуры, то на скорость накопления повреж­ дений при неизотермическом нагружении оба отмеченных фак­ тора —знак напряжений и характер зависимости еу(Т) будут

оказывать различное влияние. В частности, при противофазном нагружении воздействие сжимающей нагрузки при Ттах может быть недостаточным для эффективного залечивания повреж­ дений, возникших в полуцикле растяжения при 7^ , когда материал имеет минимальную пластичность. При синфазном нагружении наблюдается обратная картина: в полуцикле рас­ тяжения возникают относительно невысокие повреждения (вследствие максимума еу для 7^^), причем независимо от

степени их залечивания при сжатии в целом за цикл повреж­ дение при синфазном нагружении может быть меньше, чем при противофазном.

Указанный характер изменения располагаемой пластичности (возрастание ее с увеличением температуры) наблюдался у высо­ копрочного чугуна ХНМ = 100 г 500 °С) и алюминиевого сплава Д16Т ( Т 50 200 °С). Для чугуна ХНМ располагаемая пластичность увеличилась с 3 % при Т = 100 °С до 7 % при Т — 500 °С. У алюминиевого сплава Д16Т возрастание плас­

тичности было менее значительным: с 12 % при Т = 50 °С до 18 % при Т = 200 °С.

Кривые малоцикловой усталости данных материалов при неизотермическом нагружении показаны на рис. 1.5. Как сле­ дует из рисунка, для чугуна ХНМ и алюминиевого сплава Д16Т долговечность при синфазном нагружении выше, чем при про­ тивофазном.

В ряде случаев, особенно для жаропрочных никелевых спла­ вов, изменение располагаемой пластичности является немоно­ тонным и сопровождается резкими провалами на сравнительно узком участке температур. Как показано в [8, 9] для таких материалов в случае синфазного режима нагружения повреж­ дающий эффект будет максимальным, если максимум темпе­ ратуры в цикле соответствует минимуму располагаемой плас­ тичности.

Представленные выше результаты испытаний получены при длительностях цикла порядка 1...2 мин, т.е. в условиях, когда проявлением эффектов ползучести можно пренебречь. Так как на практике длительность циклов нагружения может быть су­ щественно выше, в ряде случаев неизбежно возникновение деформаций ползучести в высокотемпературной части цикла.

Эксперименты, поставленные в условиях постоянных тем­ ператур, показали, что для большинства исследованных жаро­ прочных сталей и сплавов более повреждающими являются такие режимы нагружения, когда ползучесть протекает в полуцикле растяжения [9, 10].

При испытании некоторых литейных никелевых сплавов более повреждающими оказываются режимы с выдержкой при сжатии [11]. Влияние формы цикла менее заметно на углеро­ дистых и низколегированных сталях [10, 12]. Изменение дол­ говечности в зависимости от формы цикла нагружения часто сопровождается соответствующей сменой механизма разруше­ ния и зависит от воздействия окружающей среды [10, 13].

Влияние формы цикла и знака напряжений наблюдается, как показано выше, и при неизотермическом нагружении, что проявляется в виде зависимости долговечности от фазы нало­ жения температурного цикла и цикла деформаций.

Для количественной оценки взаимодействия малоцикловой усталости и ползучести при неизотермическом нагружении не­

обходимо проведение предварительных базовых испытаний в изотермических условиях, обеспечивающих достаточную для проявления эффектов ползучести длительность нагружения, а также неизотермических испытаний при скоростях нагруже­ ния, исключающих возникновение ползучести.

При длительном изотермическом нагружении наиболее рас­ пространенными режимами испытаний являются нагружение с постоянной амплитудой деформации ee = const в цикле,

длительность которого варьируется введением одно- и двусто­ ронних выдержек в экстремальных точках при emax = const и

emin = const> а также изменение частоты нагружения (см. рис. 1.2, режимы а и д). Данные виды испытаний позволяют выделить влияние на повреждаемость материала собственно пластических деформаций при сравнительно высоких скорос­ тях (режим а) и деформаций ползучести (режимы б—г), а также влияние знака напряжений, на фоне которых развивается пол­ зучесть при чередовании полуциклов с выдержками и без них (режимы в, г).

Для приближения к реальным условиям, где длительные циклы могут быть достаточно сложными и включать, например, активное нагружение с различными скоростями, выдержки в промежуточных точках цикла и т.п. на стали Х18Н9, подвер­ женной температурно-временным воздействиям, были прове­ дены испытания по режимам (см. рис. 1.2, а, б, д, е, з), которые позволили выявить наиболее повреждающий случай нагруже­ ния. Температура испытаний составляла 650°С. Полученные результаты представлены в табл. 1.3.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.3

 

Влияние формы цикла на долговечность

 

Номер

Режим по

/р, мин

'еж. ^

'в,

МИН

Np циклы

образца

рис.

1.2

 

 

 

 

1

а

 

1

1

 

0

110

2

д

 

20

20

 

0

103

3

е

 

5

1

 

0

65

4

е

 

20

1

 

0

37

5

е

 

60

1

 

0

29

Номер

Режим по

<р, мин

мин

1ЬУмин

Np циклы

образца

рис.

1.2

 

 

 

 

6

б

 

1

1

5.

64

7

б

 

1

1

50

46

8

г

 

1

1

5

85

9

е

 

5

1

5

51

П р и м е ч а н и е : / ^ , /сж и ^ - соответственно длительность полуцикла растяжения, сжатия и время выдержки в цикле.

Как следует из указанных данных, наиболее показательны­ ми режимами при одинаковой длительности цикла являются режимы с изменяющейся при нулевом значении напряжений скоростью деформирования. Данное обстоятельство объясня­ ется тем, что в этих случаях ползучесть протекает в течение всего процесса активного нагружения, в то время как в испы­ таниях с выдержками при е = const она быстро затухает вслед­ ствие релаксации напряжений. Режимы нагружения типа и, к (см. рис. 1.2), близкие к данным, исследовались в работах (14, 15]. Однако при нагружении по режимам и, к деформации ползучести возможны в обоих полуциклах в результате медлен­ ной разгрузки, приходящейся на полуцикл с высокой скорос­ тью активного нагружения. Вследствие этого испытания по режимам е, ж являются более корректными с точки зрения оценки максимально возможного повреждающего эффекта.

В связи с отмеченным последующие испытания при дли­ тельном изотермическом нагружении проводили по режимам с заданной постоянной скоростью деформирования в течение всего цикла (см. рис. 1.2, а, д) и с заданной постоянной скоростью деформирования в полуцикле, изменяющейся при нулевом значении нагрузки (см. рис. 1.2, е, ж).

При неизотермическом нагружении,, как было показано выше, эффект снижения долговечности оказывается более зна­ чительным, если температура в цикле изменяется от Гтах до 7^ (и наоборот) ступенчато, в момент перехода через нулевое значение напряжений. Данный температурный цикл может быть совмещен с циклом длительного нагружения, скорость деформаций в котором изменяется также при переходе через нулевое значение напряжений.

Исследование взаимодействия малоцикловой усталости и ползучести при указанных циклах длительных изотермических и неизотермических нагружений проводили на аустенитных нержавеющих стадях типа Х18Н9, 12Х18Н10Т, никелевом спла­ ве ВЖ-98 и перлитной стали 15Х2МФА.

При длительном изотермическом нагружении чувствитель­ ность к форме цикла проявила, как отмечалось выше, сталь Х18Н9, причем, как показано в табл. 1.3 и на рис. 1.12, более повреждающим является режим нагружения е (см. рис. 1.2) с низкой скоростью деформирования в полуцикле растяжения и высокой в полуцикле сжатия.

Для данной стали в этих испытаниях при длительности полуцикла растяжения 20 мин и полуцикла сжатия 1 мин наблюдается снижение долговечности в 2—2,5 раза по сравне­ нию с режимом а. Варьирование в тех же пределах скоростей деформирования в полуциклах растяжения и сжатия, а также частоты нагружения при деформировании с постоянной ско­ ростью (режимы а, д, е, ж, рис. 1.2) практически не повлияло при заданной амплитуде пластических деформаций на число циклов до разрушения сталей 12Х18Н10Т, 15Х2МФА и сплава ВЖ-98 (см. рис. 1.12, б, в, г). Температура, задаваемая в про­ цессе изотермических испытаний, была принята равной мак­ симальному значению температуры соответствующего неизо­ термического цикла. Для сталей Х18Н9 и 12Х18Н10Т Т = = 650 °С, для сплава ВЖ-98 —800 °С, сталь 15Х2МФА испы­ тывали при 500 °С.

При длительном неизотермическом нагружении скорость деформирования варьировалась только в полуцикле с Тщах, так как при исследованных уровнях Г™ проявление эффектов ползучести практически исключено. В этих испытаниях неко­ торое дополнительное снижение долговечности наблюдалось У стали Х18Н9 при синфазном нагружении (см. рис. 1.12). Сталь 12Х18Н10Т и никелевый сплав ВЖ-98 оказались практически нечувствительны к варьированию скоростей деформирования при неизотермическом нагружении, как и при изотермическом. При испытании стали 15Х2МФА по аналогичным режимам наблюда­ лось незначительное уменьшение долговечности (см. рис. 1.12).

Варьирование скоростей деформирования в полуциклах растяжения и сжатия, а также изменение температуры в цикле приводит к определенной трансформации петель упругоплас­ тического гистерезиса, в силу чего помимо собственно темпе­ ратурно-временных эффектов определенное влияние на долго-

Рис. 1.12. Кривые малоцикловой усталости сталей Х18Н9, 12Х18Н10Т, 15Х2МФА и никелевого сплава ВЖ-98 при длительном нагружении:

а - сталь Х18Н9 (1 - 7 = 650 °С. тр = тсж = 1 мин; 2 - 650 г 150 °С, тр= тех = 1 мин; 3 -

7 = 150 г 650 °С тр

= тех = 1 мин; 4 - 7 = 650 °С, тр = 20 мин, тех = 1 мин; 5 -

650 л150°С,

тр = 20 мин, тех = 1

мин; 6 —7 = 650 л 150 °С, тр = тсж = 1 мин (/);

7 - 7 = 650 л 150 °С,

тР = тсх = 20мин (2)); (_____—расчет по формуле (1.16) режима 2,

_

_

_ — то же,

режима 7 , 6 - сталь 12Х18Н10Т ( 2 - 7 ' = 650 °С,*тр= tex = 1 мин; 2 - 7

=

650 л 150 °С,

тр= тех = 1 мин; 3 — 7 = 150 л650 °С, тр= тех = 1 мин; 4 — 7 = 650 °С, тр= тех = 15 мин; 5 — 7 = 650 °С, тр = 15 мин, тех = 1 мин; 6 — 7 = 650 °С, тр= тсх = 5 мин; 7 — 7 = 650 л 150 °С, тр = 20 мин, тсж = 1 мин; 8 —Т= 150 л650 °С, тр = 1 мин, тех —20 мин);

в -

сталь 15Х2МФА

(У -

Г

= 500

°С, тр= тех=1 мин;

2 -

Т

=

500

 

л 100 °С,

тр= тех = 1 мин; 3 — Т = 100

л 500 °С, тр = тех= 1 мин; 4 — Т =

500 °С, тр= тех = 20

мин;

5 -

Т = 500 °С, тр= тех= 10 мин; 6 - Т= 500 °С, тр = 20 мин. Тех = 1 мин; 7 - Т = 500 °С,

тр =

1 мин, Тех =

20 мин;

8 -

Т = 500 л 100 °С, тр = 20 мин. Тех = 1

мин;

9 — Т =

= 100-500 °С,

тр=

1

мин,

 

тех

= 20 мин); г - сплав

ВЖ-98

(1

-

Т

=

800

°С,

ТР = Тех = 1 мин;

2

-

Т = 800 л200 °С,

тр = тсх=1мин;

3

-

Т

=

200

л800

°С,

тр = Тех= 1 мин; 4 —7 800

С, тр = Тех = 20 мин; 5 —7 800

С, тр = 20 мин. Тех —1 мин,

6 — 7 = 800 °С, тр = 1 мин, тех = 20 мин; 7 — 7 = 800 л 200 °С, тр = 20 мин, тех = 1 мин)

вечность может оказывать, особенно при нагружении по ре­ жимам б, в, е, ж (см. рис. 1.2), возникающая в этом случае асимметрия цикла по напряжениям. При этом для синфазного режима характерна отрицательная, а для противофазного — положительная асимметрия цикла по напряжениям. С увели­ чением длительности цикла нагружения асимметрия усилива­ ется за счет уменьшения напряжений в высокотемпературной части цикла (см. п. 3.1). Для сталей Х18Н9 и 15Х2МФА в табл. 1.4 представлены данные, показывающие изменение стшах и °min в полуциклах растяжения и сжатия в зависимости

от режима нагружения. Указанные величины соответствуют долговечности N = N f/2.

Таблица 1.4

Изменение omax , ^min н аср в зависимости от режима нагружения

Марка

стали

Х18Н9 (Де = 1,6%)

15Х2МФА (Де = 3,5%)

 

Режим

^imx »

®1И11 *

Оср, МПа

 

 

МПа

МПа

 

650 °С, гц = 2 мин

210

205

+2,5

650 °С, /ц = 40 мин

160

150

+5

650 °С, /р = 1 мин

200

155

+22,5

Гсж = 20 мин

 

 

 

650 °С, /р = 20 мин

160

200

-20

(сж= 1 мин

230

220

+5

150 г 650 °С, /ц = 2 мин

650 5± 150 °С, /ц = 2 мин

220

295

-37,5

150 ;± 650 °С, /р = 1 мин,

240

160

+40

Гсж = 20 мин

 

 

 

650 г

150 °С, гр = 20 мин,

150

280

-65

Гсж =

1 мин

 

 

 

500 °С, /ц = 2 мин

420

470

-25

500 °С, Гц = 40 мин

370

400

-15

500 °С, Гр = 1 мин,

380

480

-50

Гсж = 20 мин

 

 

 

500 °С, Гр = 20 мин,

430

390

+20

Гсж =

1 мин

 

 

 

500 а 100 °С, /ц = 2 мин

440

640

-100

100 г 500 °С, /р = 2 мин

570

480

+45

100 г 500 °С, Гр = 1 мин,

560

400

+80

Гсж = 20 мин

 

 

 

500 г

100 °С, /р = 20 мин,

380

620

-120

сеж =

1 мин

 

 

 

Для сталей Х18Н9, 12Х18Н10Т и сплава ВЖ-98 наибольшее влияние на долговечность оказывали температурно-временные эффекты, повреждающее действие которых в большей степени