книги / Структура и прочность конструкционных материалов

В В Е Д Е Н И Е

Тенденции развития машиностроения обусловливают дальнейшее увеличение ресурса конструкций при одновремен­ ном росте их единичной мощности с надлежащим обеспечени­ ем качества и надежности, в том числе по критериям проч­ ности и долговечности.

Как известно, повышение единичной мощности связано с увеличением металлоемкости конструкций и ростом рабо­ чих параметров (единичная мощность, рабочая температура, высокое давление, болыйая грузоподъемность, маневрен­ ность и т.д.), связанным, как правило., с работой конст­

рукционных материалов в экстремальных условиях при слож­ ном температурном и Силовом воздействии; Это в первую очередь относится к энергетическому, транспортному, хи­ мическому, металлургическому машиностроению, судострое­ нию и летательным аппаратам. При эксплуатации такого ро­ да изделий машиностроения происходит изменение рабочих параметров во времени, в результате отдельные детали и узлы, находящиеся в условиях высоких температур, испы­ тывают циклические температурно-силовые воздействия. Длительные сроки эксплуатации оборудования приводят к изменению структурного состояния материалов, вызывающе­ го снижение сопротивления циклическому и длительному статическому разрушению и накоплению повреждений.

Традиционные методы оценки ресурса для случая высо­ ких температур и сложных температурно-силовых воздейст­ вий оказываются малопригодными для расчета оборудования, работающего в указанных условиях. В связи с этим стано­ вится необходимой разработка новых методов расчета эле-? ментов конструкций на базе соответствующих критериев разрушения со всесторонним их обоснованием путем прове­ дения сложного эксперимента по испытаниям материалов и элементов конструкций в условиях, приближающихся к экс­ плуатационным.

Расчет элементов конструкций при циклическом и ста­

тическом нагружении базируется на основе анализа работы

конструкций и на исследовании закономерностей сопротив­ ления деформированию и разрушению конструкционных мате­ риалов программному высокотемпературному нагружению.

Воздействие высоких температур и нагрузок, как пра­ вило.', переменных во времени вызывает протекание струк­ турных изменений в материале, активизируемых развитием деформационных процессов. Структурные превращения в свою очередь вызывают изменение характеристик сопротив­ ления деформированию и разрушению.

Знание этих закономерностей позволяет оценить с при­ влечением соответствующих критериев исходный и остаточ­ ный ресурс на стадиях проектирования и эксплуатации.

Оценка несущей способности элементов конструкций по критериям циклического разрушения осуществляется как на стадии образования, так и развития трещин. Для каждой из указанных стадий существуют свои подходы, методы и критерии разрушения.

Указанные подходы и критерии широко освещены в науч­ но-технической литературе и в нормативно-технической до­ кументации, и в связи с этим в силу ограниченного объе­ ма данного издания автор не ставил своей целью их широ­ кое обсуждение. В выпуске излагаются в основном работы автора в этой области, выполненные в Институте машино­ ведения им. А.А. Благонравова АН СССР.

Автор выражает благодарность М.М. Гаденину, В.В. Ма­ лову, В.М. Юнину и С.В. Аушевой за помощь при проведении эксперимента.

Глава 1, ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

1.1. Особенности деформирования и разрушения конструкционных материалов

в связи с их структурным состоянием

Основные закономерности малоциклового деформирова­ ния в настоящее время уже достаточно хорошо изучены. Ни­ же рассматриваются особенности деформирования и разру­ шения конструкционных материалов при высоких температу­ рах/ когда проявляются температурно-временные эффекты: ползучесть, релаксация и структурные изменения материа­ ла. Особое внимание уделено исследованиям при цикличе­ ском нагружении в условиях интенсивного деформационного старения, сопровождающегося изменением прочностных и пластических свойств материалов во времени. Причем ин­ тенсивность и характер этих изменений зависят также и от условий деформирования и в первую очередь от формл цикла и частоты нагружения. Учет изменений пластических свойств во времени, определяющих сопротивление материа­ ла малоцикловому разрушению, требует проведения сложных экспериментов в условиях, приближающихся к эксплуата­ ционным, во многих случаях характеризующихся активным деформационным старением.

Для того, чтобы судить о поведении материала при эксплуатации элемента конструкции, необходимо прежде всего знать, к какому типу относится выбранный мате­ риал: циклически упрочняющийся, разупрочняющийся или стабилизирующийся.

При циклическом нагружении об упрочнении, разупроч­ нении или стабилизации судят по характеру изменения либо петли гистерезиса (мягкое нагружение), либо дейст­ вующего условного напряжения (жесткое нагружение): для

Условия нагружения, как правило, изменяют характер поведения материалов. Циклически стабильные материалы при испытании при повышенных температурах склонны к упрочнению, как это можно видеть по кривым на рис. 1.2,6 для аустенитной стали Х18Н10Т, являющейся стабильной при комнатной температуре. Увеличение температуры испы­ тания этой стали резко увеличивает значение равномерной деформации ев на кривых статического растяжения вправо. Причем длительность периода упрочнения увеличивается с

повышением уровня температуры (п|50%т1*5о0>ла5о0>г|ао0).

° fl В O g

Увеличение Пв с ростом температуры испытания для данной стали связано с тем, что процесс ее деформационного ста­ рения усиливается с ростом температуры испытания и яв­ ляется максимальным при температурах 600-700ЧС. Дальней­ шее увеличение температуры, по-видимому, приведет к уменьшению цв вследствие разупрочнения материала от перестаривания,и разупрочняющий эффект температуры будет превалирующим.

Следует заметить, что по кривым статического растя­ жения можно также определить, склонен ли материал при данной температуре испытания к деформационному старению и как велика интенсивность его протекания.

Известно, что развитие процессов старения протекает во времени и может быть интенсифицировано' пластической деформацией: чем меньше уровень деформации, тем большее время необходимо для получения определенной степени состаривания материала, и наоборот большим уровням дефор­ маций соответствует меньшее время для достижения задан­ ной степени состаривания.

В начальный момент статического нагружения с ростом нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности, процесс деформационного'старения или совсем не проявля­ ется, или проявляется слабо и уровень предела пропорцио­ нальности определяется температурой испытания. С нача­ лом развития пластической деформации интенсифицируется процесс деформационного старения, вызывая упрочнение материала. В результате при температуре интенсивного протекания деформационного старения наблюдается не про­ порциональное снижение предела пропорциональности и пре­ дела прочности по сравнению с комнатной температурой.

Рис. 1.2. Кривые статического растяжения сталей Х18Н10Т, ТС, 22К и алюминиевого сплава АД-33

сивнее упрочняется материал. Например, для стали Х18Н10Т

рис. 1.2,а,б). Вместе с тем АД-33 является материалом упрочняющимся (пв=0,9), а сталь Х18Н10Т - циклически стабильным (пв=0,5) . С изменением условий нагружения

о - о (температуры испытания) отношение в Р также изменяет­

ся, а вместе с ними изменяется и интенсивность упрочне­ ния.

Тип материала определяет характер накопления по­ вреждений при циклическом нагружении [l-б]. При N <10э циклов в условиях жесткого нагружения накопление По­ вреждений с ростом числа циклов может быть описано в виде

ф - поперечное сужение при статическом разрушении); (6-6') - односторонне накопленная деформация.

В зависимости от типа материала величина е может

е>еист.

Как уже отмечалось, при высоких температурах сущест­ венным фактором, сопровождающим процесс деформирования и оказывающим влияние на изменение механических свойств

материала, а в связи с этим и на кинетику деформационных характеристик, является деформационное старение, интен­ сивность протекания которого зависит от уровня цикличе­ ских деформаций и формы цикла нагружения [3-7].

Как показали исследования, при одночастотном мягком нагружении (частота около 1 цикл./мин Т=650°С) в тече­ ние первых циклов сталь Х18Н10Т упрочняется и деформи­ рование сопровождается уменьшением циклической пласти­ ческой деформации бк (рис. 1.3,а), причем интенсивность упрочнения зависит от уровня действующих напряжений.

При этом стадия упрочнения при меньших амплитудах дейст­

вующих напряжений (о_=240 МПа) протекает более длительCL