книги / Структура и прочность конструкционных материалов

т щ

B

Рис. 1.7. Изменение суммарной механической Aj, QJJ тепловой и поглощенной материалом энергии

Ej в зависимости от степени деформации при ста­ тическом нагружении

амплитудой нагрузки) образца с амплитудой напряжений оа=460 МПа (образец разрушился после 137 циклов).

Площади петель гистерезиса, определили затрачиваемую механическую энергию AJJ в отдельных циклах нагружения (рис. 1.8,а). С ростом затрачиваемой в цикле механиче­ ской энергии AJJ увеличивается и доля тепловой энергии

в каждом цикле QJJ, а также величина поглощенной энергии

ническ'ой энергии А, затраченной на процесс циклического деформирования^ а также полной тепловой энергии АЕ , вы­ делившейся при этом, и полной энергии QE , поглощенной материалом, представлены на рис. 1.8,6. При этом отно­ шение QS /Ae , как видно из рис. 1.8,в, практически вплоть до разрушения сохраняет постоянное значение (около 0,6); за исключением начальных циклов, когда оно увеличивается с 0,45 до 0,6, причем стабилизированное значение отношения оказывается близким к величине соот­ ветствующего отношения при однократном статическом раз­ рыве (рис. 1.7,6). Предельные значения рассматриваемых составляющих энергии, накопленные к моменту разрушения в указанном эксперименте при отнесении их_к величине

всего деформируемого объема составили: 25^=135*107 Дк/м*? Z5^=78 •Ю 7 : Дж/мэ и 2Ёк=56-107 Дж/мэ .

Как видно из рис. 1.9,а, при жестком нагружении разупрочняющегося материала (сталь ТС) количество общей тепловой Q и поглощенной материалом энергии Б за цикл увеличивается с ростом числа полуциклов нагружения. При­ чем большее количество тепла выделяется в полуцикле рас­ тяжения, чем при сжатии. Механическая энергия А в полуцикле растяжения больше, -чем в полуцикле сжатия лишь на начальной стадии нагружения. С ростом числа циклов соот­ ношение изменяется и приблизительно при числах циклов, соответствующих половине долговечности, механическая энергия в полуциклах растяжения и сжатия равны, а затем меньшей она оказывается в полуциклах растяжения. Для данных условий нагружения поглощаемая материалом энергия Б в полуцикле сжатия в 2*2,5 раза выше, чем в полуцикле растяжения (рис. 1.9,а).

При жестком нагружении в процессе всего времени на­ гружения механическая энергия А в полуциклах растяжения меньше, чем в полуциклах сжатия (рис. 1.9,6). При этом тепловая энергия Q также, как и при мягком нагружении (рис. 1.9,а) больше в полуцикле растяжения, а поглощае­ мая материалом энергия Е больше в полуцикле сжатия, чем в полуцикле растяжения.

Количество суммарной к моменту разрушения механиче­ ской энергии Ае , рассеянной в виде тепла QE и поглощен­ ной материалом ЕЕ,раздельно в полуциклах растяжения и сжатия для стали ТС, представлено на рис. 1.10.

Приведенные выше данные по балансу энергии, затра­ ченной на процесс деформирования материала, выделившей­ ся при этом в виде тепла и поглощенной материалом, рас­ сматривались как соответствующие величины либо в их абсолютном значении, либо отнесе.нные ко всему деформи­ руемому объему. Однако, как известно, разрушение образ­ ца происходит на локальном участке (объеме), в то время

Рис. 1.9. Механическая А (1) , тепловая Q (2) и поглощенная материалом энергия Е (3) в полуцикле растяжения (сплошные линии) и полуцикле сжатия (пунктирные линии) для стали ТС (а - мягкое на­

гружение, б - жесткое нагружение

как остальной объем материала остается неразрушенным, но участвовавшим в процессе деформирования и накопившим определенную величину энергии, т.е. отдельные объемы на рабочей базе образца в различной степени участвуют в

Рис. 1.10. Суммарная по числу полуциклов нагру­ жения механическая Ag (1), тепловая Qg (2) и поглощенная материалом энергия Ел (3) при мяг­ ком (а) и жестком нагружениях стали ТС

поглощении и выделении соответствующих составляющих энергии. Поэтому был проведен также расчет удельных зна­ чений энергии с учетом распределения деформаций по рабо­ чей базе (в шейке) [11з.

Этот расчет был проведен в соответствии с экспери­ ментально установленным фактом, что температура разогре­ ва при деформировании образца прямо пропорциональна пластической деформации и с привлечением аналитической зависимости, предложенной в работе [12] . Оба метода да­ ли практически одинаковые результаты.

Результаты эксперимента по жесткому нагружению об­ разца из стали 12Х2МФА (еа=1,3%, N„=396 циклов) показы­ вают, что общая величина затраченной механической рабо­ ты составляет А=1,73*10ц Дж при общей выделившейся теп­ ловой энергии 0=1,07*10ц Дж и общей энергии, поглощен­ ной материалом,Е=0,66 *10** Дж. Если предположить, что практически до образования трещины деформирование и по­ вреждение материала является равномерным по всему объему базы образца, и отнести приведенные выше величины к это­ му полному объему, то соответствующие_удельные характе­ ристики составят следующие значения: А=591,5»107 Дж/м3; Q=366,7*107 Дж/мэ и Ё=224,8*107 Дж/м3 .

Таким образом, как при статическом, так и цикличе­ ском нагружениях лишь часть энергии деформации идет на разрушение. Значительная ее часть рассеивается в виде тепла.

1.3. Критерии циклического разрушения и оценка уровня накопленных повреждений

Для описания процесса разрушения при циклическом на­ гружении было предположено [13], что образование трещи­ ны наступает при накоплении повреждений D предельной ве­ личины, определяемой работой микронапряжений р на пути пластической деформации L [14]:

где к - постоянная, определяемая из эксперимента. В момент разрушения D=1:

Для циклического нагружения на основе представлений

ороли микронапряжений в эффекте Баушингера и его связи

суровнем пластической деформации был получен критерий

малоциклового разрушения (Np^lO3 циклов) [15, 16] s

е- пластичность материала при однократном разрыве образ­ ца.

При жестком нагружении (нагружение с заданным разма­ хом упругопластической деформации), когда можно принять Ô=const для всех циклов нагружения (рис. 1.10) и Де=0 раз­ рушение (образование трещины) наступает при накопленном

На основе большого числа экспериментальных данных нами было показано [l], что сопротивление малоцикловому разрушению конструкционных материалов определяется не общим запасом располагаемой пластичности материала, а только лишь той ее частью, которая реализуется в процес­

се однократного нагружения образца до потери устойчиво­ сти пластической деформации (до начала образования утяж­ ки в шейке образца).

В тех случаях, когда разрушение при однократном раз­ рыве сопровождается без образования утяжки, весь уро­ вень пластичности определяет характеристики малоциклово­ го разрушения металлического материала.

На рис. 1.11 показано сопоставление данных расчета

Рис. 1.11. Корреляция удлинения е=Се (а) и постоянной Коффина (б) с эксперименталь­ ными4'данными

Видно, что в тех случаях, когда материал располагал малой или очень высокой пластичностью,совпадение с экс­ периментом по зависимости Коффина было неудовлетвори­ тельным. Если в зависимости (1.5) принимать только ту долю пластичности однократного разрыва, которая реализу­ ется до потери устойчивости пластической деформации- (рис,. 1.12) , получаем во всех случаях хорошее совпаде­ ние с экспериментом.

Зависимость (1.4) так же, как и зависимость Коффина, удовлетворительно описывает экспериментальные данные для долговечностей Np^lO3 циклов..

Бели предположить, что повреждающей является работа микронапряжений и на пути упругой деформации [13, 14], то получаем критерий в виде [15-17]:

в которой е. - упругопластическая деформация в полуцикле.

Для жесткого нагружения, когда Де=0 и ô=const,

1

о

Глава 2, СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЦИКЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

2,1. Методика и аппаратура для структурных исследований при циклическом нагружении

Описанные в технической литературе машины для ис­ пытаний на усталость не позволяют осуществлять иссле­ дование микроструктуры металлов и сплавов в широком ин­ тервале температур при прямом наблюдении, фотографиро­ вании и киносъемке поверхности изучаемого образца, хотя принципиальная возможность такого рода изысканий обес­ печивается при использовании методов высокотемператур­ ной металлографии [8,9,18].

Разработанная автором и изготовленная в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова АН СССР установка ИМАШ-10 позволяет осуществлять металлографическое изу­ чение кинетики усталостного разрушения металлов при температурах от 20 до 1200°С и нагружении плоских образ­ цов на переменный изгиб в одной плоскости. Нагрев об­ разца до указанной выше температуры производится либо радиационным способом (за счет излучения тепла от элект­ рического нагревателя), либо путем пропускания электри­ ческого тока непосредственно через испытываемый образец.

Испытание при высоких температурах производится в вакуумной камере, остаточное давление в которой состав­ ляет до 1.10“6 мм рт.ст. Для наблюдения и фотографиро­ вания микроструктуры образца в процессе испытания ис­ пользован микроскоп типа МВТ, в осветители которого по­ мещена специальная импульсная лампа высокой яркости. Частота вспышек строботрона автоматически синхронизиро­ вана с частотой колебания образца.

Одновременно с микроструктурным исследованием на установке ИМАШ-10 возможно измерение электрического со­ противления рабочей зоны образца в процессе испытания,