книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении

Г л а в а 2

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

2.1. Малоцикловая прочность при различных формах цикла нагружения и нагрева

Повреждаемость материала при малоцикловом нагружении.

При длительном пребывании элементов конструкций в условиях высоких температур и циклических силовых воздействий, вызыва­ ющих пластические деформации, изменяются механические харак­ теристики и структура конструкционного материала. Процесс со­ провождается накоплением необратимых изменений (повреждений) в материале, критическое значение которых определяет достижение предельного состояния конструктивного элемента по условиям проч­ ности.

Одним из основных направлений в области изучения закономер­ ностей разрушения при малоцикловом (в том числе неизотермиче­ ском) нагружении при высоких, постоянных и переменных темпе­ ратурах является использование представлений о повреждаемости материала [8, 15, 28—31, 54, 64, 73, 80, 85, 100, 122, 124, 135] и установление критериальных зависимостей (уравнений). Повреж­ даемость материала при малоцикловом нагружении есть приводя­ щий к разрушению (образованию трещины) процесс необратимых изменений, протекающий в материале детали под действием пере­ менных напряжений и деформаций. Наряду с отмеченными факто­ рами, на скорость накопления и вид необратимых изменений в ма­ териале влияет форма (частота, длительность, выдержка) темпера­ турного цикла.

Конкретным проявлением процесса накопления повреждений являются необратимые изменения структуры материала [29, 75, 109] в результате сдвиговых процессов внутри зерен (образования двой­ ников, дробления зерен, разрыхления и образования пустот, изме­ нения упрочняющих фаз, деформации но границам зерен и образо­ вания субмикроскопических разрывов и др.) и механическое по­ вреждение объема поверхностного слоя и поверхности детали под действием эксплуатационных факторов.

Структурные изменения в материале протекают непрерывно в процессе малоциклового нагружения и формируют повреждения, которые вызывают видимые нарушения сплошности среды (макро­ трещины и др.), либо недопустимые изменения формы детали, ха­ рактеризуемые как повреждения конструктивного элемента. Однако

41

накопленный экспериментальный материал по изучению структур­ ных изменений и их корреляции с параметрами процессов силового и температурного воздействий указывает на сложность физических процессов, протекающих на микро- и макроуровне и приводящих к разрушению материала при малоцикловом нагружении. Закономер­ ности процессов образования и развития микропор и микротрещин, слияния микротрещин, образования макротрещин как интегральные характеристики изменений в структуре материала пока не систе­

рактерными параметрами этих внутренних процессов с параметра­ ми внешнего термомеханического нагружения. Действие необрати­ мых изменений (повреждений) в материале, накопленных к опре­ деленному моменту выработки ресурса, проявляется в интеграль­ ной форме.

Например, снижаются значения основных характеристик крат­ ковременной и длительной прочности, ползучести, пластичности и сопротивления малоцикловой усталости, а также изменяются фи­ зические характеристики материала (удельное электрическое со­ противление, акустическая эмиссия и др.). Изменения таких харак­ теристик могут служить косвенной м£рой поврежденное™ и пре­ дельного накопленного повреждения материала.

Практически все существующие модели накопления поврежде­ ний базируются па феноменологических представлениях. Повреж­ даемость материала оценивают с помощью параметров, описываю­ щих поведение материала на основе методов механики деформируе­ мого тела применительно к рассматриваемому режиму термомеха­ нического нагружения.

Важнейшими параметрами, характеризующими степень воздей­ ствия внешнего малоциклового термомеханического нагружения на

деформация, максимальная температура цикла нагрева Ттах, дли­ тельность циклов нагружения и нагрева t4 (в том числе и длитель­ ность выдержки tв нагрузки или температуры), а также общая суммарная длительность процесса (число циклов или время t^ = Nft4). Кроме того, существенную роль играет изменение дефор­ мационной способности или располагаемой пластичности материа­ ла, что характеризует деформации (односторонне накопленные и циклические), которые может выдержать материал перед разру­ шением (образованием макротрещины).

В общем случае процесс малоциклового, длительного малоцик­ лового и неизотермического деформирования протекает в условиях циклических реверсивных, а также односторонне' накопленных деформаций. В зависимости от соотношения интенсивностей накоп­ ления материалом повреждений от циклических и односторонних деформаций разрушение может носить квазистатический (длитель­ ный статический), усталостный или переходный характер разру­ шения.

42

Квазистатические малоцикловые разрушения сопровождаются накоплением односторонних деформаций, значения которых близки к разрушающим деформациям при статическом (монотонном) или длительном статическом разрыве. Усталостные малоцикловые раз­ рушения происходят при отсутствии односторонне накопленных де­ формаций при образовании в ходе циклических нагружений одной или нескольких трещин усталостного характера. В условиях мало­ циклового разрушения переходного характера процессы роста тре­ щин усталости и развития односторонних деформаций идут одно­ временно, в зоне разрушения возможно появление трещин на фоне значительных односторонних деформаций.

Таким образом, предельными типами процесса деформирования являются режимы малоциклового жесткого усталостного нагру­ жения (действуют циклические реверсивные деформации, накопле­

число циклов до разрушения (появления трещины). Долю длитель­

‘о циклическом разрушении (образовании трещины); е/ — располагае­

мая пластичность (деформационная способность) материала, по­ лучаемая из испытаний на длительную прочность или при статиче­ ском (монотонном) разрыве, в том числе в условиях варьируемой длительности процесса нагружения.

Разрушения переходного характера определяются обычно линей­ ной или нелинейной комбинацией усталостного или квазистатиче­

43

ского (длительного статического) повреждений во временной или деформационной трактовке.

В ряде случаев рассматривают изменение базовых характери­ стик в связи с особенностями процесса малоциклового деформи­ рования. Так, можно учесть уменьшение располагаемой пластично­ сти материала за счет процессов высокотемпературного деформа­ ционного охрупчивания; кривая малоцикловой усталости может измениться в связи со снижением пластичности материала во вре­ мя высокотемпературного “деформирования. Базовые характеристи­ ки могут претерпевать трансформацию при наличии режимов пе­ ременных температур.

Таким образом, в исходном состоянии компоненты усталостного (a,f, df) и длительного статического (at, ds) повреждения равны нулю. К моменту разрушения (образования трещины) при жестком нагружении %= 1 или df= 1, при длительном статическом нагруже­ нии at= l или ds= 1. В переходной области циклических разруше­ ний суммируются тот и другой виды повреждений, а предельную величину, соответствующую достижению разрушения (образования трещины), определяют в зависимости от принятой гипотезы накоп­

формировании предельного состояния при жестком режиме испы­ тания.

За характерный период эксплуатации в опасных зонах конст­ руктивного элемента возникают различные виды повреждений: малоцикловое усталостное (длительное малоцикловое усталостное) и квазистатическое (длительное статическое), причем длительное малоцикловое усталостное и длительное статическое повреждения обусловливаются проявлением временных эффектов — ползучестью, релаксацией напряжений, деформационным охрупчиванием мате­ риалов и т. п. Предельное состояние по условиям прочности и ма­ лоцикловое разрушение материала определяются взаимосвязью и преимущественным влиянием того или иного вида повреждения в зависимости от удельного веса соответствующих этапов в режиме эксплуатации. В основном при циклическом неизотермическом вы­ сокотемпературном нагружении реализуется смешанный характер разрушения, когда основные виды малоциклового повреждения (усталостное и квазистатическое) сопоставимы.

В связи с этим необходимо раздельное изучение режимов на­ гружения при исследовании предельного состояния конструкцион­ ных материалов в условиях неизотермического малоциклового на­ гружения и оценка влияния того или иного параметра режима на формирование предельного повреждения.

В первых работах [10, 29, 47, 80, 96, 97] по исследованию малоцикловой усталости при повышенных и высоких температурах изу-

44

чались возможности оценки термоусталостной малоцикловой проч­ ности по результатам соответствующих изотермических испытаний. На рис. 2.1 приведены данные, полученные А. Карденом. Они по­ казывают, что при определенном сочетании температур и свойств материала получается хорошее соответствие результатов испыта­ ний в существенно разных температурно-временных условиях. Одна­ ко эти данные, по-видимому, следует считать исключением, тем более что указанные температуры для жаропрочного лопаточного

сплава являются умеренными, когда временные эффекты (ползу­ честь) проявляются слабо. В формировании предельного состояния материала весьма существенна, с одной стороны, роль условий и параметров термомеханического нагружения (Ттах, сочетание циклов нагрева и механического нагружения, длительность выдерж-

Рис. 2,2. Сопротивление малоцикловой ус­ талости при неизотермическом жестком наг­ ружении аустенитной коррозионно-стойког стали при растяжении и сжатии с выдерж

ки и форма циклов) и, с другой стороны, механических свойстг материалов в рассматриваемом диапазоне температур (характери стики кратковременной и длительной статической прочности, плас точность) [15, 22, 29, 31, 56, 81, 100, 109].

Типичны данные работы [127] для жесткого режима неизотер мического нагружения (рис. 2.2). Испытания аустенитной коррози онно-стойкой стали выполнены при независимых малоцикловом на тружении (растяжение-сжатие) и циклическом нагреве при широко} варьировании значения и диапазона температур. Можно отметит) ряд моментов. Во-первых, малоцикловая долговечность существен но зависит от режима нагрева: кривые малоцикловой усталост) при постоянных температурах (1, 2, 3) располагаются существен но выше, чем кривые неизотермической малоцикловой усталост!

4

(4, 6, 7. 8) при соответствующих максимальных температурах. Во-вторых, сказывается максимальная температура цикла и ее диапазон. Увеличение максимальной температуры с 500 до 700° С (кривые 4 и 7) при прочих равных условиях вызывает снижение малоцикловой долговечности на порядок. Характерно, что диапа­ зон температур (500° С) цикла для кривых 7 и 8 неодинаково ска­ зывается иа малоцикловой долговечности в связи с тем, что в по­ следнем случае температуры заметно выше, что существенно, учи­ тывая сопротивление кратковременной и длительной статической прочности исследуемого материала.

При нензотермическом нагружении возможны наиболее небла­ гоприятные по условиям повреждения сочетания режимов нагру­ жения и нагрева, например нагружение, когда полуцикл растяже­ ния приходится на высокотемпературную часть цикла нагрева [15, 56, 78, 94, 97, 109, 120, 123, 124, 126, 129, 133].

Рассмотренные данные показывают, что существует зависимость малоцикловой прочности от режимов термомеханического нагру­ жения. Оценка условий малоциклового нагружения материалов в неизотермических условиях возможна лишь с использованием ме­ тодов испытания, предусматривающих измерения и регистрацию основных параметров режима нагружения и нагрева, а также обо­ рудования, оснащенного автоматизированными системами програм­ мированного нагружения и нагрева при широком варьировании па­ раметров режимов нагружения и нагрева [15, 16, 71, 96]. В настоя­ щее время имеются уникальные испытательные стенды, позволяю­ щие проводить исследования указанного направления [15, 71].

Широкие исследования малоцикловой прочности конструкцион­ ных сталей 12Х18Н9 и 15Х18Н12С4ТЮ проведены [16, 17] с привле­ чением методики испытаний на малоцикловую усталость с незави­ симыми циклами нагружения и нагрева при различном их сочета­ нии и варьировании параметров циклов. Некоторые результаты ис­ следований приведены на рис. 2.3 [17]. Наибольшие повреждения вызывает режим малоциклового непзотермического нагружения, при котором в полуцикле растяжения имеют место высокие температуры цикла нагрева (режим б (рис. 1.19). Другие сочетания режимов на­ гружения и нагрева (режимы а, в, и) не сказываются заметно на достижении малоциклового неизотермического разрушения (появ­ ление трещины). Характерно, что данные испытаний при постоян­ ной температуре (режим а) и для режимов, соответствующих усло­ виям термоусталостного нагружения (режимы а, з) совпадают. Снижение сопротивления малоцикловой усталости при неизотермпческом нагружении в связи с величиной максимальной температу­ ры цикла (см. рис. 2.3, б) соответствует данным других исследова­ телей [109, 120, 123, 124].

Хотя исследуемые материалы 12Х18Н9 и 15Х18Н12С4ТЮ явля­

46

циклов нагружения эффекты неизотермичности малоциклового на­ гружения качественно одинаковы.

Необходимость обобщения закономерностей малоцикловой проч­ ности в широкой области температур требует комплексных экспе­ риментальных исследований по материалам различного назна­ чения.

%

пользуют жаропрочные сплавы [22, 75, 80, 100]. Они являются пер­ спективными и для элементов тепловой энергетики в связи с ростом давления, температур и мощностей энергетических установок. Для изучения влияния пластичности жаропрочных материалов на со­ противление неизотермическому малоцикловому разрушению была разработана программа испытаний в условиях переменных темпе­ ратур (рис. 2.4). В нее включены испытания: на термическую уста­ лость без выдержки и с выдержкой при максимальной температу­ ре (рис. 2.4, а и б); изотермические при предельных температурах термоусталостного цикла (рис. 2.4, в); неизотермические (в диа­ пазоне температур основного термоусталостного цикла) для конт­

циклических нагревах и нагружениях.

Термоусталостные испытания проводили по методике [7, 55] на ■сплошных цилиндрических образцах с автоматической записью диаграмм циклического деформирования при неизотермическом на­ гружении; осуществлялся режим термического нагружения с по­ стоянными от цикла к циклу предельными значениями температуры в середине рабочей длины образца; разрушение фиксировали по моменту образования макротрещины; создание в цикле различных долей усталостного и квазистатического повреждений осуществля-

47

лось за счет варьирования времени выдержки при максимальной температуре цикла (0...60 мин) и жесткости системы нагружения (20...240 кН/м) (при фиксированном перепаде температур терми­ ческого цикла). Разрушения в результате малоцикловой усталости происходили в достаточно широком диапазоне чисел циклов (25...6-103).

Рис. 2.4. Режимы нагружения:

й, б — термоусталостиые; в — малоцикловое при постоянной температуре; г — малоцикловое

нензотсрмическое противофазное; д —малоцикловое неизотермяческое синфазное б, г, д — жесткие режимы

Малоцикловые испытания с синфазным и противофазным на­ гревом-охлаждением образца в условиях жесткого режима нагру­ жения проведены на стендах [15], обладающих достаточно широки­ ми возможностями воспроизведения различных независимых друг от друга программ нагружения и нагрева с регистрацией диаграм­ мы неизотермического упругопластического деформирования мате­ риала. Экспериментальные зависимости служат основой для оцен­ ки накопления повреждений при различных, в общем случае про­ извольных, сочетаниях режимов нагрева и нагружения.

Закономерности разрушения при малоцикловом термоцикличе­ ском нагружении исследовали на двух жаропрочных сплавах

контрастными по характеристикам кратковременной и длительной статической прочности и пластичности.

Сплав ХН73МБТЮВД обладает существенно большей кратко­ временной пластичностью, превышающей в исследуемом диапазоне температур пластичность сплава ХН51ВМТЮКР в 5—6 раз.

48

(табл. 2.1). При этом, если пластичность сплава ХН51ВМТЮКР с ростом температур остается лримерно постоянной (12... 14%), то у сплава ХН73МБТЮВД она значительно снижается (до 40%) в диапазоне температур 600...700° С вследствие процессов старения.

Эти сплавы неодинаково сопротивляются длительному статиче­ скому нагружению: длительная прочность сплава ХН51ВМТЮКР несколько выше, чем у сплава ХН73МБТЮВД. При этом имеется существенная разница в длительной пластичности сплавов как по абсолютному значению, так и по характеру ее изменения с увели­ чением времени выдержки. Если в рассматриваемых условиях пластичность сплава ХН73МБТЮВД снижается, но остается тем не менее высокой, то пластичность сплава ХН51ВМТЮКР сохраня­ ется на исходном невысоком уровне (14%),

Учитывая, что сопротивление циклическому разрушению кор­ релирует с характеристиками располагаемой пластичности [15, 56, 85], отмеченная выше контрастность свойств исследуемых сплавов является основой для исследования и формулирования некоторых закономерностей неизотермического разрушения.

Анализ кривых малоцикловой неизотермической усталости (рис. 2.5) для сплава ХН73МБТЮВД показывает, что сопротивле­ ние разрушению существенно зависит от температуры. При увели­ чении температуры испытания заметно снижается сопротивление малоцикловгому разрушению. Например, при деформации е=1% с повышением температуры от 200 до 860° С (кривые 1, 3) происходит снижение долговечности на порядок. Это означает, что в условиях неизотермического малоциклового нагружения скорость накопле­ ния повреждений при минимальных температурах цикла оказыва­ ется существенно ниже, чем при максимальных температурах цик-

49

ла. Этим объясняется взаимное расположение кривых малоцикло­ вой усталости (2 и 3), полученных при испытании по режимам в, г (см. рис. 2.4). В последнем случае полуцикл сжатия приходится на область высоких температур цикла. Расхождение по долговеч­ ности (кривые 2 и 3, см. рис. 2.7) не столь существенно (15...20%), хотя в последнем случае образец 50% времени находился в усло­ виях умеренных температур. По-видимому, это можно объяснить «залечивающим» эффектом', высокой температуры в полуцикле

Рис. 2.5. Сопротивление малоцик­ ловой усталости (жесткий режим)

жаропрочных сплавов ХН73МБТЮВД (1-5) и

ХН51ВМТЮКФР (6, 7) в зависи­ мости от режимов термомеханиче­ ского нагружения:

1. 6 — 200“ С; 2 — 200 ... 860° С, сжатие

200 ... 930° С. сжатие при Ттак

сжатия при испытаниях по режиму рис. 2.4, г. Указанное обстоя­ тельство является важным и позволяет в первом приближении ре­ комендовать для оценки малоцикловых повреждений в условиях неизотермического нагружения данные по малоцикловой прочности, полученные при постоянной температуре, равной максимальной температуре термического цикла.

Отмечается значительное влияние типа цикла нагружения и нагрева на сопротивление малоцикловой усталости. В условиях жесткого нагружения и режима испытания, когда максимальная деформация растяжения достигается в момент разогрева до мак­ симальной температуры цикла, существенно увеличиваются повреж­ дения материала. Долговечность вследствие большого повреждаю­ щего эффекта снижается в 10 раз по сравнению с режимом испы­ тания, Когда максимальная деформация сжатия соответствует мак­ симальной температуре цикла (рис. 2.5, кривые 2 и 4). Кривая ма­ лоцикловой усталости (3) при постоянной температуре, соответст­ вующей максимальной температуре цикла 860° С, располагается значительно правее кривой 4, Это, так же как и при неизотермиче­ ских испытаниях, можно объяснить эффектом «залечивания» по­ вреждений в высокотемпературной части цикла на этапе сжатия.

Имеется четкая корреляция между малоцикловой прочностью и пластичностью исследуемых жаропрочных сплавов. Значения ха­ рактеристик малоцикловой усталости менее пластичного жаропроч­ ного сплава ХН73МБТЮВД существенно ниже, чем у сплава ХН51ВМТЮКФР, в сопоставимых температурных условиях, хотя сопротивления длительному и кратковременному нагружению у этих сплавов не очень различаются. В полной мере эти особенно­ сти выявляются при сравнении кривых усталости (рис. 2.6, а).

50