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

увеличивается, пластичность увеличивается у сплавов алюминия с магнием и не изменяется у алюминиевомедных сплавов, происходит расширение зон квазистатического разрушения, сопровождаемое их смещением по числу циклов в область больших долговечностей.

§ 2. Титановые сплавы

Испытания титановых сплавов проводились при температурах 20° С, —196° С и частично при температуре —269° С. Так же, как и для алюминиевых сплавов, использовались плоские образцы из листово­ го материала, которые нагружались в процессе испытаний пуль­

воздухе, а при криогенных температурах —196 и —269° С — соот­ ветственно в среде жидкого азота и гелия.

Исследована малоцикловая усталость одно- и двухфазных спла­ вов титана с а- (ВТ 1-0, ВТ5-1), псевдо-а- (АТ2-2) и а + Р-струк- турами (ВТ6С) [61Известно [114], что а-сплавы и псевдо-а-сплавы

ном состоянии и не подвержены водородной хрупкости. К достоинст­ вам некоторых двухфазных сплавов можно также отнести сочетание высокой прочности и удовлетворительной пластичности со сваривае­ мостью. Так, сплав ВТ6С используется в авиации для высоко­

прочных свариваемых конструкций, емкостей, баков и т. п., которые могут эксплуатироваться также и в низкотемпературных условиях [1141.

Кривые малоцикловой усталости, предельные кривые пластиче­ ской деформации и относительного сужения, характеризующие за­ висимость прочности и пластичности исследованных сплавов тита­ на при рассматриваемых уровнях температур от числа циклов до разрушения, приведены на рис. 72—75.

Наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью при ком­ натной и криогенных температурах характеризуется а-сплав ВТ 1-0,

1409-

и псевдо-а-сплава АТ2-2. При понижении температуры до —196 и —269° С статическая и циклическая прочность всех титановых спла­ вов увеличивается, и наиболее существенно для низколегированно­ го сплава ВТ1-0, а пластичность изменяется различным образом. Остаточное удлинение 6, являющееся характеристикой кратковре­ менной пластичности материала, при понижении температуры до —196° С заметно увеличивается и при дальнейшем ее понижении до —269° С уменьшается для сплава ВТ1-0, практически не изме­ няется для других исследованных сплавов при —196° С и также уменьшается при —269° С для сплава ВТ5-1 (см. рис. 72, б — 75, б). Накопленная до разрушения пластическая деформация для всех сплавов в диапазоне малоцикловой усталости при понижении тем­ пературы до —196° С практически не изменяется и снижается При

температуре жидкого гелия. Следовательно, интегральная пластич­ ность титановых сплавов при —196° С сохраняется на таком же уровне, как и в нормальных условиях. При этом для титановых сплавов, в отличие от алюминиевых, наблюдается резкое уменьше­ ние при низких температурах относительного сужения, которое характеризует локальную пластичность материала, что свидетель­ ствует о неблагоприятном изменении пластичности в целом, несмот­ ря на постоянство ер.

Кривые малоцикловой усталости титановых сплавов при темпе­ ратуре 20=С имеют хорошо развитые по напряжениям и долговеч-

Пности зоны квазиетатического раз­

ВТ6С при температурах соответ­ ственно 20 и —196° С) и значительно изменяется по долговечности. Как видно из рис. 73—75, для всех исследованных сплавов на основе титана зоны перехода от квазиетатического разрушения к усталост­ ному в низкотемпературных условиях смещаются в область меньших долговечностей, а соответствующие зоны между областями неразрушения и квазиетатического разрушения — в область больших дол­ говечностей. При температуре жидкого гелия квазистатическое разрушение титановых сплавов в условиях действия пульсирующих нагрузок не реализуется и при напряжениях ниже предела проч­ ности разрушение, как правило, происходит в результате образова­ ния усталостных трещин. Таким образом, для титановых сплавов понижение температуры в криогенную область обусловливает умень­ шение зоны квазиетатического разрушения, т. е. разрушения, которое произошло в результате реализации пластичности мате­ риала, что в целом может быть оценено как ухудшение свойств спла­ вов. Напомним, что для алюминиевых сплавов наблюдается прямо

Изменение статической и циклической прочности сплавов ВТ5-1 и ВТ 1-0 в исследованном температурном интервале для трех задан­ ных величин долговечностей (0,5, 1000 и 10 000 циклов) показано на рис. 76. Видно, что при изменении температуры от 20 до —269° С (несмотря на изменение механизма деформирования сплавов при температурах, близких к —269° С) происходит монотонное увели­ чение их циклической прочности, интенсивность которого в рас­ сматриваемой области температур незначительно варьируется для разных долговечностей и тем­

внимание также на повышение темпов роста прочности сплава ВТ5-1, который является конструкционным сплавом, в интервале темпера­ тур от —196 до —269° С. В этом же интервале циклическая проч­ ность технического титана ВТ1-0 (и особенно при больших долго­ вечностях) растет менее интенсивно, чем при повышении температу­ ры от 20 до —196° С.

Проведенные исследования показали, что наряду с увеличением циклической прочности титановых сплавов в криогенной области происходит уменьшение их локальной пластичности и смещение зон перехода от квазистатического разрушения к усталостному в об­ ласть меньших долговечностей при —196° С и в область близких к пределу прочности напряжений при —269° С.

§ 3. Хромоникелевые стали

Исследование циклической прочности и пластичности хромоникеле­ вых Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6и хромомарганцевой 03Х13АГ19 ста­ лей проводилось при комнатной температуре (20° С) и в среде жид­ кого азота (—196° С) при пульсирующем растяжении с частотой

2 цикл/мин (см. рис. 1, б). Как и при испытаниях алюминиевых и титановых сплавов, использовались плоские образцы (см. рис. 11, а), изготовленные из листа. Малоцикловая усталость рассматриваемых сплавов исследована в диапазоне долговечностей с верхней грани­

рактеризуются хорошей свариваемостью, высокой технологич­ ностью, не требуют специальной термической обработки при ис­ пользовании их в конструкциях. Эти стали являются достаточно стойкими против коррозии в средах сжиженных газов. Перечис­ ленные эксплуатационно-технологические достоинства хромонике­ левых сталей удачно сочетаются с их высокой прочностью и пластич­ ностью при низких температурах, а также с высоким сопротивлени­ ем ударным нагрузкам и хрупкому разрушению. Поэтому эти стали используются при изготовлении различных емкостей и резервуаров для хранения и транспортировки сжиженных газов, а также при создании более сложных конструкций [73].

Хромомарганцевые стали при температурах, близких к —196° С, могут охрупчиваться в процессе пластического деформирования, поэтому область их использования ограничена интервалом низких температур выше —196° С.

Проведенные исследования в основном подтвердили характерис­ тику хромоникелевых и хромомарганцевой сталей, которая основы­

прочность сталей X18Н10Т,03Х20Н 16АГ6 и 03 X1ЗАГ19 при снижении температуры от 20 до —196° С значительно увеличивается в исследо­ ванном диапазоне долговечностей и в большей степени, чем в том же интервале температур увеличивается циклическая прочность алю­ миниевых и конструкционных титановых сплавов. Однако при этом необходимо обратить внимание на одну важную особенность в по­ ведении сталей при—196° С. Если у алюминиевых сплавов зона квазистатического разрушения при низкой температуре по сравнению с комнатной расширяется как по напряжениям, так и по долговеч­ ности, а у титановых сплавов эта зона не изменяется по напряже­ ниям и в определенной степени сужается по долговечности, то хромо­ никелевые стали характеризуются или полным ее исчезновением при —196° С (Х18Н10Т), или заметным сужением по напряжениям и по долговечности (03Х20Н16АГ6). Следовательно, при пони­ жении температуры процессы циклической ползучести в стали Х18Н10Т тормозятся и ее разрушение не сопровождается реализа­ цией располагаемой пластичности даже при напряжениях, совпадаю­ щих с пределом прочности. Сталь 03Х20Н16АГ6 характеризуется

Однако следует подчеркнуть, что их пластичность реализуется в основном в первом цикле нагружения, участки установившейся и ускоренной ползучести на кривых циклической ползучести хромо­ никелевых сталей развиты слабо, т. е. эти стали характеризуются высоким сопротивлением ползучести и пластическая деформация накапливается не в процессе циклирования нагрузки, а при ста­ тическом нагружении образца в начале испытаний. Для стали 03Х13АГ19 такой характер накопления деформации является еще более четко выраженным. Приведенные данные свидетельствуют о том, что характеристики пластичности металла, определенные при кратковременных испытаниях на разрыв, не могут однозначно ха­ рактеризовать его способность к накоплению односторонних дефор­ маций при длительном циклическом нагружении. При этом высо­ кая «кратковременная» пластичность сплава не гарантирует хорошей сопротивляемости образованию и развитию усталостных трещин, что достаточно убедительно подтверждается на примере хромомар­ ганцевой стали 03Х13АГ19. В данном случае также, имея в виду высокий уровень накопленной до разрушения пластической дефор­

(см. рис. 79, б), нельзя говорить о том, что разрушение является смешанным, так как развитие усталостной трещины не сопровожда­ ется интенсивным макропластическим деформированием материала.

В целом пластичность хромоникелевых и хромомарганцевой ста­ лей при 20 и —196° С находится на достаточно высоком уровне. Для сталей Х18Н10Т и 03Х20Н16АГ6 при понижении температуры интегральная и локальная пластичности изменяются незначитель­ но, а для стали 03Х13АГ19 происходит их существенное уменьше­ ние (см. рис. 79, б, в). Зоны перехода от квазистатического разруше­ ния к усталостному для всех рассматриваемых сталей достаточно четко фиксируются по переломам на предельных кривых пластиче­ ских деформаций и относительного сужения при комнатной темпе­ ратуре и весьма нечетко — при температуре —196° С для сталей Х18Н10Т и 03Х13АГ19, у которых в этих условиях зоны квазиста­ тического разрушения не реализуются.

Таким образом, при нормальной и низкой температурах хромо­ никелевые стали характеризуются высокой пластичностью. Пони­ жение температуры до —196° С вызывает значительный рост их циклической прочности в области малоцикловой усталости, приво­ дит к уменьшению зоны квазистатического разрушения у стали 03Х20Н16АГ6 и к ее полному исчезновению у стали Х18Н10Т в связи с протеканием в последней при —196° С процессов мартенсит­ ного превращения, вызывающих охрупчивание материала.

В случае понижения температуры до —196° С циклическая проч­ ность хромомарганцевой стали 03Х13АГ19 также увеличивается, но при этом ее пластичность резко падает. В рассмотренных темпе­ ратурных условиях сталь 03Х13АГ19 характеризуется низким сопротивлением образованию усталостных трещин, и поэтому на

кривых малоцикловой усталости этой стали при 20 и —196° С зона квазистатического разрушения отсутствует.

При выборе материала для высоконапряженных элементов кон­ струкций низкотемпературного назначения из трех рассмотренных сталей предпочтение следует отдать стали 03Х20Н16АГ6, которая при—196° С имеет более высокую, чем стали Х18Н10Т и03Х13АГ19, сопротивляемость усталостному разрушению.

§ 4. Оценка влияния низких температур на прочность, ползучесть

и пластичность сплавов для криогенной техники

Исследования показали, что в диапазоне долговечностей 0,5—2 X X 104 циклов циклическая прочность сплавов и сталей, предна­ значенных для использования в криогенной технике, увеличивает­ ся при понижении температуры от 20 до —196 и —269° С, а их плас­ тичность изменяется незначительно при —196° С и существенно уменьшается при температуре жидкого гелия.

Изменение циклической прочности и пластичности исследован­ ных сплавов при понижении температуры в определенной степени связано с изменением интенсивности процессов направленного пластического деформирования при пульсирующем растяжении. Очевидно, что изменение деформационных свойств сплавов при понижении температуры необходимо оценивать для рассматривае­ мых условий нагружения не только по сопоставлению величин накопленной до разрушения пластической деформации и относи­ тельного сужения, но и по сопоставлению скоростей установившей­

одинаковой температуре или один материал при различных темпе­ ратурах (т. е. фактически в двух состояниях) сравниваются по пара­ метру циклической ползучести, то материал, скорость циклической ползучести которого при одинаковых приведенных напряжениях цикла меньше, можно классифицировать как материал, обладаю­ щий большей способностью к сопротивлению циклической ползу­ чести. Как правило [167], реализованная в процессе циклической ползучести пластическая деформация у таких материалов (или в таком состоянии) меньше, и при малоцикловом нагружении они имеют менее развитую зону квазистатического разрушения, чем материалы более пластичные и обладающие меньшей способностью к сопротивлению циклической ползучести. Поэтому при оценке изменения прочности и деформативности сплавов в случае пониже­ ния температуры не только будем оперировать терминами, характе­ ризующими абсолютное изменение этих свойств, но и будем гово­ рить об изменении способности сплавов к сопротивлению цикличе­ скому деформированию и разрушению (циклическая прочность и ползучесть в этом случае сравниваются в абсолютных напряже­