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

рис. 90 для точки 2 показаны типичные фрактограммы зоны квазистатического разрушения исследованной стали в некотором интер­ вале увеличений.

Анализ характера разрушения, выполненного в интервале тем­ ператур от 20 до —140° С при частотах 0,3, 1 и 15 гц показывает, что при квазистатическом разрушении в исследованном частотном и температурном диапазонах плоскость излома образца наклонена

Т а б л и ц а 10

Зависимость характера разрушения стали 15Г2АФДпс от усл>вий ее испытаний и долговечности

к его продольной оси под углом 30—40°. Следовательно, квазистатическое разрушение образцов происходит в результате определяю­ щего действия максимальных касательных макронапряжений. При этом основными тонкомасштабными деталями на поверхности квази­ статически разрушенных образцов являются мелкие равноосные ямки отрыва (рис. 91) (обозначения образцов см. в табл. 10). Только в узких зонах у кромок сечения наблюдаются в отдельных случаях вытянутые ямки. Очевидно, зарождение квазистатического разру­ шения происходит под действием максимальных касательных на­ пряжений у кромок образца, а окончательное разрушение — в его центральной части. Равноосный характер ямок в центре образца свидетельствует о решающей роли в их формировании в процессе циклической ползучести нормальных напряжений, и только на стадии окончательного разрушения в последнем цикле вступают в действие касательные напряжения, обусловливающие вязкий ха­ рактер разрушения (под углом 30—45°), но не искажающие формы равноосных ямок. В связи с тем, что деформирование субструктуры происходит под действием нормальных напряжений, а разруше­ ние — под действием касательных, на поверхности излома при тем­

пературе —140° С встречаются фрагменты транскристалл итного скола (см. рис. 91, в, стрелка А) и межзеренного разрушения (см. рис. 91, в, стрелка Б). При нормальных условиях характер разру­ шения в основном вязкий внутризеренной. Частота циклирования практически не оказывает влияния на микрорельеф квазистатических изломов.

При усталостном разрушении на изломе образцов четко просле­ живаются очаги зарождения трещин, зоны их развития и медленно­ го распространения, а также зоны долома (см. рис. 89, б). Зарожде­ ние трещин в образцах прямоугольного сечения в исследованном температурном и частотном интервалах всегда происходит на одном из ребер образца. Медленное развитие усталостных трещин при цик­ лическом нагружении осуществляется внутризеренным вязким об­ разом. При нормальной и низких температурах характер микро­ рельефа в зоне распространения трещин тождествен и не зависит от частоты в диапазоне 0,3—15 гц. Основными деталями на поверх­ ности разрушения являются весьма протяженные области из уста­ лостных бороздок (рис. 92, а, б, г, д). Помимо бороздок в изломе наблюдаются также отдельные ямки и следы вязкой деформации скольжением. Особенно четко они проявляются в образцах, подверг­ нутых усталостному разрушению при напряжениях, соответствую­ щих зоне перехода от квазистатического разрушения к усталост­ ному (см. рис. 92, в), в пределах которой развитие трещины от цикла к циклу сопровождается интенсивным макропластическим дефор­ мированием материала. Последнее, возможно, обусловливает сдвиговые смещения зерен на поверхности усталостной трещины (см. рис. 92, б) и, как следствие этого, искажение общей картины разрушения.

При низкой температуре и высокой частоте нагружения фрагмен­ ты с бороздками усталости могут быть разделены трещинами (см. рис. 92, д). В этих условиях на поверхности разрушения также встречаются ямки и следы деформации скольжения, а также детали микрорельефа, характерные для квазискола (см. рис. 92, е). В пере­ ходной области от участка развития усталостной трещины к долому (см. рис. 92, ж) характер микроразрушения при температуре —140° С из-за многообразия деталей весьма сложен. Здесь наблюда­ ются большие участки вязкого ямочного внутризеренного разруше­ ния (стрелка Л), межзеренные фасетки (на которых в отдельных слу­ чаях видны детали квазискола — стрелка Б и отдельные ямки — стрелка В), следы деформации скольжением (стрелка Г), а также признаки транскристаллитного хрупкого разрушения (стрелка Я).

В зоне статического долома (рис. 93, г) протяженные участки внутризеренного вязкого ямочного разрушения при температуре —140° С и частоте 15 гц не встречаются. Однако в целом разрушение в этой зоне можно охарактеризовать как смешанное, так как на по­ верхности излома соседствуют элементы структуры, соответству­ ющие как межзеренному (стрелка А ), так и внутризеренному разру­ шению. К последним следует отнести транскристаллитные фасетки

ках которых наблюдаются следы интенсивного скольжения (см. рис. 93, б). Интересно отметить, что в зоне долома при комнатной температуре встречаются элементы гребенчатой (полосчатой) струк­ туры (см. рис. 93, д). Весьма вероятно, что эти детали образовались на фасетках определенной кристаллографической ориентации; их направление совпадает с направлением развития трещин. Следова­ тельно, поверхность разрушения в зоне статического долома при нормальной температуре отличается от поверхности квазистатического разрушения (см. рис. 91, а, г) наличием деталей отмеченной гребенчатой структуры. При низкой частоте микрорельеф поверх­ ности в зоне долома при рассматриваемом уровне температуры та­ кой же, как и при частоте 15 гц (см. рис. 93, а): помимо равноосных мелких и крупных ямок на фрактограммах заметны следы дефор­ мации скольжением (стрелка А).

Равноос.ность ямок свидетельствует об отрывном характере за­ ключительной стадии разрушения, наступающей после достижения усталостной трещиной критических размеров.

Таким образом, рассмотренные для широкого интервала частот и низких температур результаты фрактографического анализа мик­ рорельефа поверхности разрушения стали 15Г2АФДпс показывают, что в квазистатической области малоцикловой усталости характер микроразрушения стали при изменении температуры от 20 до —140° С и частоты от 0,3 до 15 гц не изменяется и может быть клас­ сифицирован как вязкий внутризеренной с признаками межзеренного. При усталостном разрушении в малоцикловой области трещи­ на зарождается на поверхности образца и распространяется во внутренние слои металла по телу зерен. Долом образца при темпе­ ратурах ниже —100° С происходит квазихрупко, а при более высо­ ких температурах — вязко. Следовательно, существует корреляция между температурной зависимостью величины раскрытия тре­ щины Др и изменением микрорельефа поверхности в зоне разруше­ ния. Однако резкое уменьшение Др для данной стали в температур­ ном интервале от —80 до —100° С связано не с хрупким, а с квазихрупким переходом, и температура хрупкого перехода лежит для стали 15Г2АФДпс ниже —140° С. Поэтому можно считать, что изме­ нение долговечности стали при переходе в область температур ниже —100° С вследствие реализации квазихрупкого разрушения для рассмотренных образцов будет незначительным, и, следовательно, сопротивление усталостному разрушению сталей в исследованном интервале температур будет определяться величиной их сопротивле­ ния циклической ползучести.

ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВОВ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИХ ДОЛГОВЕЧНОСТИ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

формации, которое классифицируется как явление циклической ползучести. Ускорение процессов циклической ползучести при нор­ мальной и низкой температурах по сравнению с процессами статиче­ ской ползучести связано с активным деформированием материала в случае изменения напряжения от 0 до атах-

В интервале температур от 20 до —196° С не происходит прин­ ципиально качественного изменения в протекании процессов цикли­ ческой ползучести. Такое изменение, как установлено для сплавов титана, происходит при температурах, близких к —269° С: оно свя­ зано с локальным пластическим деформированием материала на неустановившейся стадии и проявляется в виде всплесков пластиче­ ской деформации, регистрируемых на диаграммах циклического де­ формирования и кривых циклической ползучести. При температу­ рах выше —196° С конструкционные сплавы низкотемпературного назначения обладают высокой располагаемой пластичностью и ха­ рактеризуются высокой интенсивностью процессов циклической ползучести, которые являются определяющими при формировании долговечности сплавов. В этом случае метод расчета долговечности конструкционных сплавов должен основываться на описании взаи­ мосвязи между числом циклов до разрушения, пластичностью мате­ риала и характерной скоростью циклической ползучести на вто­ рой стадии процесса направленного деформирования. Исследо­ вания, результаты которых рассмотрены в данной главе, показали, что такая взаимосвязь может быть установлена в едином виде для областей квазистатического и усталостного разрушений только при условии введения в расчетную зависимость механической характе­ ристики, учитывающей способность материалов сопротивляться цик­ лической ползучести.

Как показывают экспериментальные данные, процессы цикличе­ ской ползучести при гладком и ступенчатом нагружениях на отдель­ ных стадиях ползучести независимо от характера разрушения мате­ риала хорошо описываются с позиций гипотезы уравнения состоя­ ния и ее частного случая теории упрочнения.

§ 1. Некоторые закономерности циклической ползучести при нормальной и низкой температурах

При статических испытаниях на ползучесть накопление пластиче­ ской деформации происходит при постоянной нагрузке от момента нагружения образца и до его разрушения. Только в начале испыта­ ний при увеличении нагрузки от нуля до рабочего уровня осуще­ ствляется пластическое деформирование материала, отличное по своей природе от деформирования при ползучести. В условиях цик­ лической ползучести такое изменение нагрузки от нуля до максиму­ ма, сопровождающееся непрерывными актами пластического дефор­ мирования, происходит в течение каждого цикла нагружения. Сле­ довательно, в общем случае особенности накопления деформации при статическом и многократно повторяющемся циклическом нагру­ жениях отличаются, что в зависимости от режима пульсирующего растяжения вызывает существенные различия в величинах долго­ вечностей при этих двух видах нагружения. Разрушение конструк­ ционных сплавов под действием циклических напряжений чаще всего наступает в течение более короткого времени, чем под дей­

пластическая деформация епл, которая обусловливает явление цик­ лической ползучести, в общем случае по характеру вызывающих ее нагрузок может быть разделена на две составляющие: от актив­ ного нагружения (активная составляющая) и от пассивного нагруже­ ния (пассивная составляющая). Активная составляющая пластиче­ ской деформации реализуется при непрерывном изменении нагрузки от нуля до Ртах, что практически происходит при треугольном цик­ ле нагружения. Пассивная составляющая, или деформация ползу­ чести реализуется при выдержке материала в условиях постоянной нагрузки. Прирост этой составляющей в процессе испытаний, как правило, происходит при нагружении по трапецоидальному циклу на участках выдержки при Ртах (см. рис. 1,6). Обозначим активную составляющую пластической деформации через еа, пассивную — через р и определим в качественном аспекте, какой вклад дает каж­ дая составляющая в формирование величины полной деформации и функциями каких параметров нагружения и характеристик мате­ риала они являются.

В общем случае для произвольной точки k-vo цикла деформация

Как свидетельствуют многочисленные экспериментальные дан­ ные, накопление деформации после нескольких циклов нагруже­ ния резко затухает [167, 175]. Можно показать, что уменьшение

величины пластической деформации при циклическом активном на­ гружении на неустановившихся участках кривых циклической пол­ зучести связано с изменением характеристик упругости и механиче­ ских характеристик материала. Из литературных данных известно, что при повторном упруго-пластическом деформировании сущест­ венно изменяются модули упругости, секущие модули при нагрузке иразгрузке [101, 207], пределы пропорциональности и пределы теку­

даться при нормальной и низких температурах до —196 и —253° С. При треугольном цикле нагружения пластическая деформация, очевидно, может накапливаться и в полуцикле разгрузки.

Обозначим соответствующую составляющую активной деформа-

ции через ea*. Эта составляющая проявляется благодаря тому, что секущий модуль разгрузки в пределах одного цикла больше секу­ щего модуля нагрузки. Последнее нетрудно показать, используя схему упруго-пластического деформирования [101], предложенную Мазингом для объяснения эффекта Баушингера, если учесть, что реальные материалы являются анизотропными и что в отдельных зер­ нах может иметь место эффект Баушингера [12, 83].

Интенсивность процессов циклической ползучести при треуголь­ ном цикле нагружения также в значительной степени зависит от уровня максимальных напряжений и частоты изменения нагрузки (рис. 94), с увеличением которых процессы ползучести ускоряются. Для циклически упрочняющихся материалов (алюминиевых и хромо­ никелевых сплавов) при комнатных и низких температурах уста­ новившийся участок на кривых циклической ползучести по продол­ жительности составляет до 95% времени от общей долговечности, для стабильных (малоуглеродистых сталей и некоторых титановых сплавов) — от 50 до 90% и для циклически разупрочняющихся ма­ териалов (некоторых титановых сплавов и котельных сталей) может составлять менее 50% при максимальных напряжениях цикла, блнз-