книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

7.Рассмотрение упругих и пластических составляющих де­ формаций и вопрос о выборе коэффициента р. в упругой и пла­ стической области не вызывает затруднений. Каждая составля­ ющая связана со своим правильным значением р.

8.Используется общее соотношение между размахом дефор­ мации и долговечностью, обоснованное обширными испытаниями многих материалов. Для иллюстративных целей это соотношение предполагалось верным при высоких температурах, хотя при наличии ползучести это неверно [4.2]. Это допущение может быть легко изменено после получения лучшей информации, относя­ щейся к сопротивлению усталостному разрушению при высокой температуре.

Циклический пластический расчет дает возможность аналити­ чески оценить справедливость метода инвариантности упругой деформации, в примере раздела 4.3 он привел к обоснованию этого метода. Важно также, что обеспечивается общий метод, посредством которого могут быть проведены расчеты для задач, характеризуемых различными соотношениями механической и термической нагрузок и различными отношениями размеров пластической и упругой зон. Наконец, обеспечивается метод определения компонентов «средней» деформации, которая не мо­ жет быть получена методом инвариантности упругой деформации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4.1.А8МЕ ВоМег апй Ргеззиге Уеззе1 СосЗе, зес. III, ЫисЛеаг Уеззе1з, 1963.

4.2.01хоп Л. К. апс1 У1ззег XV. Ап 1п\ге5И§аИоп о! 1Ье Е1азИс-Р1азис 51га1п

01з4пЬи1юп агоипй Сгаскз ш Уапоиз 8Нее1 Ма4епа1з, Ргос. 1п4егп. 5ушр. РЬо!ое-

1аз41сНу Рсг^ашоп Ргезз, №\у Уогк, 1963.

4.3.Мапзоп 8. 8. 1п1ег!асез ЪеЪтееп РаИ^ие, Сгеер, ап4 Ргас1иге Ргос. 1п1егп. СопГ. РгасЫге, 8епс1а1, Ларап, 1965, А1зо 1п4егп. Л. Ргас1иге Мескатсз, уо1. 2, N 1, МагсЬ, 1966.

4.4.Мапзоп 8. 8. апсЗ ШгзсЬЬег^ М. Н. Апа1у$1з оГ Сгаск 1пШаИоп ап<1 Ргора§аИоп ш ЫокЬес! РаИ^ие Зресдтепз. Ргос. Соп1, Ргас!иге. 5епйа1, Ларап 1965.

ВВЕДЕНИЕ

В гл. 3 отмечалось, что в случаях, когда переменная деформа­ ция, вызываемая в материале механическим нагружением, пре­ вышает некоторое предельное значение, материал накапливает усталостные повреждения. Если материал подвергается измене­ нию температуры при полном или частичном стеснении естествен­ ных тепловых расширений, то в нем возникают механические деформации. Эти деформации могут вызывать усталостные повре­ ждения точно так же, как если бы они создавались внешним механическим нагружением, и поэтому все результаты, которые получены в области механической усталости, применимы к тер­ мической усталости. Это заключение неявно принято в гл. 4, в которой результаты гл. 3, касающиеся механического нагруже­ ния, также использованы для определения циклической долго­ вечности в задачах с температурными напряжениями. Однако следует признать, что задачам термической усталости свойственны не только все особенности задач с механическим нагружением, но они связаны также с дополнительными трудностями, не при­ сущими задачам механического нагружения при комнатной темпе­ ратуре. В этой главе описан ряд возникающих в связи с этим про­ блем и рассмотрены известные в настоящее время основные дан­ ные. Основная задача состоит в качественном описании процессов, поскольку количественный аспект рассмотрен в гл. 3 и 4; кроме того, здесь уделено внимание результатам расчетов конструкций на основе принципов, описанных в предыдущих главах.

5.1.ПРЕВРАЩЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ

Так как усталость вызывается не тепловым расширением, а скорее ограничением этого расширения, связанным с наложе­ нием механической деформации, равной температурной деформа­ ции, то проверим, как такая механическая деформация возникает в самом простом случае, с тем чтобы затем распространить резуль­ тат на более сложные случаи.

5.1.1. Идеализированная модель термического цикла. Рассмот­ рим первый случай, в котором вся тепловая деформация превра-

щается в механическую. Стержень (рис. 5.1) закреплен между двумя неподвижными плитами так, что его длина остается постоян­ ной. Предположим, что он постепенно нагревается и охлаждается в заданном интервале температур. На рис. 5.1 показана гипотети­ ческая кривая деформирования материала. Материал является идеально пластичным, т. е. деформируется упруго вплоть до пре­ дела текучести, а дальнейшее течение происходит при постоянном напряжении.

Таким образом, напряжение на рис. 5.1 пропорционально де­ формации вдоль линии ОА, а дальнейшая деформация имеет место

в точке В, напряжение достигает предела текучести, и пластическая деформация АВ возникает в течение первого цикла снижения температуры. При последующем возрастании температуры на­ пряжение будет уменьшаться вдоль линии ВС'С. В некоторый момент времени состояние стержня будет представлено точкой С \ где напряжение отсутствует, но деформация не равна нулю, и будет достигнута начальная температура. В этом случае состоя­ ние стержня будет представлено точкой С, т. е. деформацией, равной нулю, и напряжением сжатия ОС, обусловленным тем фактом, что свободная длина стержня увеличилась на величину АВ при пластическом течении. Последующее циклирование в этом интервале температур должно вызвать циклы нагружения между

точками С и В, и дальнейшее пластическое течение не возни­ кает.

Если разность температур циклически повторяется, вызывая температурную деформацию, равную удвоенной упругой, так что деформация в точке й равна удвоенной деформации в точке А, то циклирование происходит между точками Г) и Е, соответству­ ющими пределу текучести при растяжении и пределу текучести при сжатии. (Для простоты предел текучести при сжатии принят равным пределу текучести при растяжении.) В этом случае после первого цикла может быть приложено неограниченное число цик­ лов без дальнейшего пластического течения.

Рассмотрим такую разность температур, при которой тепловая деформация превышает удвоенную упругую (например, точка Р).

По мере охлаждения напряжение первоначально увеличивается вдоль линии ОА и появляется упругая деформация; затем проис­ ходит пластическое течение и пластическая деформация достигает величины АР. По мере того, как образец в последующем нагре­ вается, он упруго разгружается по линии РО. В точке Оего перво­ начальная длина превышает фактическую на величину деформа­ ции ВО; поэтому как только температура принимает опять перво­ начальное значение, происходит пластическое деформирование сжатием на величину ВО. В течение второго цикла напряжение сначала изменяется от предела текучести при сжатии (точка В) до предела текучести при растяжении (точка О), а после этого происходит пластическое деформирование растяжением на ве­ личину Ьр. В полуцикле разгрузки материал упруго переходит из состояния Р в О и опять следует деформирование сжатием от О до В. Поэтому каждый цикл вызывает в этом стержне пластиче­ скую деформацию растяжения ОР и последующее равной вели­ чины пластическое течение при сжатии. Переменное растягива­ ющее и сжимающее пластическое деформирование в конце концов приводит к разрушению материала.

5.1.2. Дополнительные механизмы к идеализированной модели. Для того чтобы подход был более реальный, следует обратить внимание на многие механизмы, которые усложняют ранее опи­ санную идеализированную модель. Большинство материалов упрочняется деформацией, т. е.' напряжение постепенно увели­ чивается с деформацией, вместо того, чтобы после достижения предела текучести оставаться постоянным, как показано на рис. 5.1 Следует также признать, что вследствие непрерывного изменения температуры непрерывно изменяется кривая деформирования; следовательно, для решения задачи невозможно пользоваться обычной диаграммой деформирования. В первом приближении может быть использована кривая деформирования при средней температуре цикла, но при этом допускается определенная ошибка. Кроме того, следует также учесть эффект Баушингера. В соответ­ ствии с этим эффектом пластическое течение в одном направлении (например, при растяжении) уменьшает напряжение, при котором

наступает текучесть в противоположном направлении (при сжа­ тии). Таким образом, петля ЕйРО в координатах напряжение — деформация на рис. 5.1 может не иметь равные напряжения при растяжении и сжатии, потому что пластическая деформация Е)Р при растяжении снижает предел текучести при сжатии. Помимо этого, имеется также исходное различие пределов текучести при растяжении и сжатии вследствие различия температур. Следует принимать во внимание некоторую релаксацию напряжения,

изменяются вдоль РОЕ, предел текучести соответствует точке О, причем он существенно ниже, чем напряжение в точке А вслед­ ствие эффекта Баушингера. Если восстанавливается начальная (высокая) температура, состоянию материала отвечает точка Е, в которой деформация сжатия компенсирует пластическую де­ формацию растяжения, развивающуюся на участке АР, и воз­ вращает образец к общей деформации, равной нулю. Эта дефор­ мация вызывает напряжение ОЕ. Любая .выдержка при высокой’ температуре и напряжении приводит к релаксации, снижая на­ пряжение.

Таким образом, точка Е перемещается в точку Е' за время до начала нового охлаждения. Охлаждение соответствует участку Е'Р', повторный нагрев — кривой деформирования Р'Е", выдержка при наибольшей температуре соответствует снижению напряжений (переход из. Е" в Е'") и т. д. После нескольких циклов кривая изменения напряжений и деформаций может установиться

к случаю, соответствующему небольшому изменению температуры, так как многие особенности задачи обусловлены высокой темпе­ ратурой, как это будет показано в следующем разделе.

5.2.ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С НЕРАВНОМЕРНОСТЬЮ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР

5.2.1.Влияние ползучести. В экспериментах для получения данных по термической усталости анализ закономерностей в основ­ ном касался зависимости между пластической циклической де­ формацией и числом циклов до разрушения. Обычно пластическую деформацию определяют вычитанием из размаха полной дефор­ мации размаха упругой деформации, которая получается делением размаха напряжения на модуль упругости. Когда в высокотемпера­ турной части цикла имеет место ползучесть, такой способ не является точным. Если ползучесть не учитывается, то неверным

становится расчет не только пластических деформаций, но и цик­ лической долговечности, вследствие того, что влияние деформации ползучести на долговечность значительно отличается от влияния пластического течения типа сдвига.

Рассмотрим рис. 5.4, на котором показаны кривые деформиро­ вания для двух идеализированных случаев. Как следует из рис. 5.4, а, когда ползучесть отсутствует,

(5.1)

где Да — размах напряжения; Е — модуль упругости (модуль упругости предполагается постоянным во всем интервале темпе­ ратур; учет зависимости модуля упругости от температуры делает задачу еще более сложной).

^3

Рис. 5.4. Зависимость между пластической деформацией и раз­ махом напряжения при отсутствии (а) и наличии (б) релакса­ ции в процессе выдержки

Однако, если в процессе выдержки происходит ползучесть (рис. 5.4, б), пластическая деформация за цикл не связана непо­ средственно с полным размахом напряжений. В той части цикла, где имеет место растяжение, пластическая деформация

(5.2)

здесь Дах — размах напряжения, возникающего только в части цикла, соответствующей охлаждению.

В части, соответствующей нагреву, размах напряжения ока­ зывается большим, за счет чего уменьшается пластическая дефор­ мация сжатия е 'р . Однако полная пластическая деформация е "р включает также деформацию ползучести развившуюся в про-

цессе выдержки. Деформация ползучести соответствует упругой деформации, релаксирующей во время выдержки, и поэтому равна (До2 — До^/Е. Отсюда

части образца длиной 76,2 мм возникает только упругая дефор­ мация, которая невелика по сравнению с пластической деформа­ цией, если температура принята достаточно высокой. Большая часть теплового расширения образца длиной 101,6 мм при этом поглощается пластическим деформированием наиболее нагретой зоны длиной 25,4 мм. Это распределение деформации показано на рис. 5.5.

Существует предельное условие, соответствующее случаю, когда температура более холодной зоны немного ниже темпера-

туры горячей, но достаточно низка, чтобы предел текучести этой зоны превышал предел текучести горячей части образца. При этом условии деформация горячей части будет в 4 раза больше той деформации, которая возникла бы, если бы образец был нагрет равномерно или лишь горячий участок длиной 25,4 мм был за* креплен для предотвращения расширения.

Практически деформационное упрочнение и упругие деформа­ ции до некоторой степени изменяют картину. Но и в этом случае не нарушается общий принцип, заключающийся в том, что дефор­ мация имеет тенденцию концентрироваться в горячей зоне и она оказывается значительно больше дефррмации, вычисленной ис­ ходя из полного стеснения только горячего участка образца.

5.3.МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ

Выше рассмотрено влияние структурных изменений, происхо­ дящих в процессе .термического циклирования, за исключением того случая, когда они могут непосредственно влиять на механи­ ческие свойства и на петлю гистерезиса. Вместе с тем, во многих случаях постоянное изменение структуры оказывает определя­ ющее влияние на свойства при термической усталости, и поэтому полезно упомянуть о нескольких важных механизмах структур­ ных изменений.

5.3.1. Старение. Вероятно наиболее важным результатом воз­ действия циклических температурных напряжений на структуру является старение. Большинство высокотемпературных сплавов в условиях их применения не являются металлургически равно­ весными. Следствием этой метастабильности является тот факт, что многие сплавы имеют хорошие свойства при высокой темпе­ ратуре. Если материал выдерживается при высокой температуре, перестройка микроструктуры направлена в основном к дости­ жению равновесного состояния. При этом составляющие, выде­ ляющиеся из твердого раствора, могут значительно изменить свойства материала. Например, они могут выделяться по грани­ цам зерен и снижать пластичность материала, в частности при дли­ тельном статическом нагружении. Такое выделение может проис­ ходить при наличии или отсутствии напряжений, но в основном напряжение интенсифицирует этот процесс. При значительном охрупчивании материала даже небольшая пластическая дефор­ мация, возникающая в одном цикле термоусталостного нагруже­ ния, может привести к разрушению.

5.3.2. Коррозия. Другой процесс, который может уменьшить сопротивление разрушению от действия температурных напряже­ ний, заключается в химическом воздействии на материал, напри­ мер, коррозия,- окисление и т. д. Поверхность обычно контакти­ рует с кислородом или другим газом, способным к химической реакции с материалом. При высоких температурах, имеющих