книги из ГПНТБ / Григорьев Ю.П. Строительная механика летательных аппаратов дополнительные главы

Деформация на начальном участке является обычной деформа­ цией, возникающей при приложении растягивающей нагрузки, и не имеет никакого отношения к процессу ползучести.

Первый участок кривой ползучести ab изображает неустановившуюся стадию ползучести и характеризуется постепенно уменьшающейся скоростью возрастания деформации.

Второй участок Ьс соответствует стадии установившейся пол­ зучести с постоянной скоростью нарастания деформации.

Третий участок cd представляет собой период ползучести с постепенно возрастающей скоростью деформации. Нараста­ ние скорости объясняется появлением внутри металла микроско­ пических трещин по границам зерен, приводящим к смещениям • зерен друг относительно друга. Эти перемещения, складываясь с пластическими деформациями от сдвигов внутри зерен, значи­ тельно усиливают общее пластическое течение материала. Этот участок связан с накоплением мельчайших повреждений, хаоти­ чески разбросанных по всему объему металла.

Четвертый участок de характеризуется быстрым слиянием зародышевых трещин и прогрессирующим разрушением образ­ ца. Начало этого участка на кривой ползучести трудно точно установить без дополнительных обследований испытываемого образца. Одним из признаков прогрессирующего разрушения является возникновение растрескивания поверхности образца.

Часто третий и четвертый участки объединяют под общим наименованием участка прогрессирующего разрушения, однако анализ кривых ползучести пока­ зывает, что на третьем участке металл способен работать до выхода на стадию прогрессив­ ного разрушения в течение 30— 50% времени от общего срока службы. Исключать этот резерв долговечности при оценке дли­ тельности работы металла в усло­ виях ползучести нецелесообразно.

Ползучесть с увеличивающейся скоростью нельзя считать опас­ ной пока это увеличение связано с накоплением пластической де­ формации. Опасным является тот момент, когда ускорение пол­

зучести вызывается значительным накоплением повреждений. Длительность четвертого участка не следует включать в срок службы при расчете долговечности детали.

В зависимости от величины действующего напряжения кри­ вые ползучести могут сильно менять свой вид (фиг. 4.2.3), однако они содержат основные элементы идеализированной кривой пол­ зучести (фиг. 4.2.2). При очень малых напряжениях для данной

112

температуры кривая ползучести может состоять только из пер­ вого и второго участков (фиг. 4.2.3, кривая 1). В этом случае участок ползучести с установившейся скоростью может длиться очень долго, а деформация с возрастающей скоростью и разру­ шение не будут иметь места.

4), так что стадия разрушения может наступить почти сразу же после первой стадии ползучести.

Методика использования кривых ползучести для определения срока службы детали и способы аналитического представления этих кривых рассмотрены ранее в п. 1.3 настоящего пособия.

На скорость ползучести сильно влияет состояние поверхности детали и окружающая среда. Это связано главным образом с окислительными процессами и межзеренной коррозией, способ­ ствующими образованию поверхностных трещин и сильно умень­ шающими длительную прочность металла. Применение различ­ ных теплостойких покрытий значительно увеличивает долговеч­ ность детали.

Обычно на статическую нагрузку накладываются высокочастот­ ные вибрации, способствующие развитию усталостных поврежде­ ний и сокращающие долговечность конструкции, рассчитанной только на ползучесть.

Влияние наложения переменной нагрузки на статическую длительную прочность может идти по двум направлениям. Во-первых, вибрации способствуют раскрытию межзеренных тре­ щин, образующихся при ползучести. Во-вторых, они вызывают усталостные трещины, развивающиеся внутри зерна. Разрушение будет носить смешанный характер. Понижение статической нагрузки и увеличение амплитуды вибраций приведет к преобла­ данию усталостного характера разрушения с преимущественным развитием трещин через тело зерен. Повышение статической составляющей и уменьшение амплитуды вибраций дает преобла­ дание ползучести с характерным для нее межзеренным разру­ шением.

Как указано в п. 3.1, любой асимметричный цикл переменной нагрузки можно рассматривать как результат сложения стати­ ческой нагрузки, вызывающей в детали средние напряжения ат и симметричной переменной нагрузки, создающей цикл напря­ жений с амплитудой <зд [см. формулы (3.1.1)]. Таким образом, долговечность при совместном действии статической и перемен­ ной нагрузок можно определить, построив кривую усталости при заданной температуре и соответствующем значении коэффициен­ та асимметрии цикла. С увеличением коэффициента асимметрии влияние ползучести на общую долговечность детали возрастает.

иэпюры распределения температуры в конце первой секунды и' через пять секунд после запуска двигателя. Видно, что входная

ивыходная кромки лопатки прогреваются быстрее средней части (спинки лопатки). Входная кромка подвергается действию газов

ссамой высокой температурой. Температура газового потока у выходной кромки ниже, но лопатка в этом месте прогревается быстрее средней части благодаря своей малой толщине. В резуль­ тате края лопатки должны расшириться от нагрева сильнее, чем массивная середина, обладающая значительной тепловой инер­ цией. Поэтому более короткие средние волокна будут растяги­ ваться, а крайние волокна окажутся сжатыми.

Длины волокон элемента лопатки, вырезанного двумя близ­ кими сечениями, перпендикулярными оси лопатки, под действием неравномерного температурного поля изменятся, как показано

на фиг. 4.2.9,а. Аналогичные изменения произойдут в элементах

лопатки, прилегающих к данному справа и слева. Условия нераз­ рывности будут выполнены только в том случае, если смежные элементы будут контактироваться по прямым, показанным пунк­ тиром, т. е. в случае выполнения закона плоских сечений. Сосед­ ние элементы создают взаимные препятствия температурным деформациям, в результате чего возникают уравновешенные напряжения, эпюра которых показана на фиг. 4.2.9,6.

Температурные напряжения возникают во всех сечениях лопатки, за исключением концевого сечения, деформации кото­

116

сти ползучести, которая постепенно убывает до постоянного зна­ чения (если напряжения не очень велики). Все это усложняет теоретический расчет величины деформации ползучести при изме­ няющихся напряжениях, который может быть произведен на основе современных теорий ползучести. Наиболее простая из них, теория старения (см. п. 1.3), включающая время в явном виде, в случаях, когда происходят периодические нагрузки и раз­ грузки, может дать абсурдные результаты.

Ф II г. 4.3.2

Практически важной задачей является и определение возмож­ ного срока службы детали до ее разрушения. Срок службы мате­ риала детали при постоянном напряжении определяется по кри­ вой длительной прочности в зависимости от величины напряже­ ния (фиг. 4.3.2); Т1 — время до разрушения при напряжении ,

задача может быть решена на основе теории суммирования повреждений при ползучести, которая исходит из положения, что в процессе ползучести в материале накапливаются повреждения. Степень повреждаемости D при действии напряжения а в тече­ ние времени t на основании дислокационной теории определяется как отношение времени t к времени Т до разрушения при дейст­ вии того же напряжения, возведенное в степень m :

напряжение о2 в течение t2, то суммарная степень повреждаемо­

В общем случае степень повреждаемости определяется по формуле:

m

Пв

При действии постоянного напряжения <з разрушение насту­ пает в момент, когда t = Т, т. е. когда степень повреждаемости равна единице. Это положение распространяется и на случай действия изменяющихся напряжений, т. е. предполагается, что и в общем случае разрушение наступает в тот момент, когда сум­ марная степень повреждаемости будет равна единице:

(4,3.4)

Показатель степени m определяется на основании опыта. Такие опыты были проведены при двухступенчатом нагружении, когда напряжения менялись от aj до <з2 . В результате для стали ЭИ432 было получено пг = 1,5, для ЭИ388 m = 0,7, а для

1Х18Н9Т m = 1,0.

Казалось бы для грубых прикидочных расчетов можно при­ нять показатель степени m в формуле (4.3.4) равным единице. Однако это было бы в какой-то мере справедливо лишь для двух­ ступенчатого нагружения. При более сложной программе нагру­ жения, особенно при произвольном чередовании увеличения и уменьшения уровня действующих напряжений коэффициент m может быть в несколько раз больше или меньше единицы. Строго говоря, он может оказаться разным для разных уровней нагруз­ ки и более правильно формулу (4.3.4) записывать в следующем виде:

(4.3.5)

Еще более усложняется расчет, если переменной во времени является не только нагрузка, но и температура детали. Задача расчета на ползучесть в столь сложных условиях является настолько трудной, что в настоящее время даже правильная постановка ее представляется затруднительной.

Многие детали авиационных конструкций и особенно двига­ телей работают в очень тяжелых условиях — при высоких темпе­ ратурах и высоких напряжениях. В особенности это относится к элементам конструкций, которые предназначены для кратко­ временной службы и проектируются с минимальным запасом прочности. При работе детали в подобных условиях наблюдается интенсивное развитие деформации ползучести, которое может сравнительно быстро (в течение нескольких минут или часов) закончиться разрушением. Ползучесть в таких условиях назы­ вается кратковременной и имеет некоторые особенности по срав­ нению с ползучестью при относительно более низких напряже­ ниях.

На фиг. 4.3.3 приведены кривые кратковременной ползучести дуралюмина и углеродистой стали. Если у стали можно ясно различить все три периода ползучести, то у дуралюмина нет

119

ярко выраженного периода установившейся ползучести (второго периода), а первый протекает очень быстро и его практически не всегда можно обнаружить. Важной особенностью кратковремен­

ной ползучести является сравнительно высокая чувствительность к перегрузкам, особенно при высоком уровне напряжений. На фиг. 4.3.4 показаны кривые ползучести дуралюмина Д16 при

различном режиме нагружения. Кривая 1 получена при постоян­ ном напряжении о = 17,8 кг!мм2, а кривая 2 — при ступенчатом изменении напряжения: первые 30 мин. а = 14 кг1мм2, а затем

120