книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

ные материалы сразу отсеиваются и дальнейшему исследованию подлежат лучшие. Параметры оценки материалов в условиях теплового удара описаны в гл. 6. Для оценки хрупких материалов требуется, по крайней мере, два параметра, для .оценки пластич­ ных — большее число. Такая оценка материалов может изменяться в зависимости от жесткости теплового удара. Рассмотрим эти параметры для условий нагружения статическими температурными напряжениями хрупких материалов и проиллюстрируем их при­ менение для оценки пластичных материалов.

7.2.1. Параметр оценки хрупких материалов при заданном перепаде температур. Во многих практических случаях условия эксплуатации таковы, что разница температур сохраняется по­ стоянной независимо от выбранного материала. Типичным при­ мером является длинная труба с нагретой жидкой средой, охла­ ждаемая снаружи, т. е. температура внутренней поверхности опре­ деляется температурой среды, а наружной — температурой охла­ дителя. Распределение температур устанавливается из условия равенства теплового потока во всех элементарных обечайках цилиндра. Для этого случая материал, способный сопротивляться высокому перепаду температур между средой и охладителем ДТ, является оптимальным материалом. Применяя формулу для на­ пряжений, получим уравнение 17.34]

где А а В — внутренний и наружный, соответственно, радиусы цилиндра. Материал, имеющий наибольшее значение а (1 — р)/Да,

коэффициент Пуассона для разных материалов незначительно отличается) является одним из наиболее важных параметров при оценке сопротивления материалов действию теплового удара.

7.2.2. Параметр оценки хрупких материалов при заданном тепловом потоке. В ряде случаев может быть задана не разность температур, а тепловой поток, передаваемый через сечение трубы. Типичным примером такой задачи может быть керамическая труба, окружающая нагревательный элемент типа Глобара. Нагреватель с известным для данных условий электрическим сопротивлением, выделяет определенное количество тепла, а окружающая его труба должна обеспечить отвод этого тепла без образования тре­ щин. Разность температур по сечению керамической трубы зави­ сит от теплопроводности X и удельного теплового потока (2 на еди­ ницу длины трубы, т. е.

Тогда, подставив это значение в уравнение (7.1), получим

(7.3)

однако применение основных параметров о (1 — \1)/Еа и ка (1 — 11)1Еа не ограничено этим случаем. Детали другой формы могут быть проанализированы на основе соответствующего рас­ чета упругих напряжений. При этом параметры оказываются теми же по существу, но различаются в каждом случае тем, как они входят в соответствующие аналитические выражения. Таким

Рис. 7.8. Характеристики температурных напряжений трех материалов:

/ (О) - Л 1.0,; 2 (Д) — МвО; 3 (□ ) — 2гО а [7.26]

образом, знание этих параметров обеспечивает информацию, необ­ ходимую для количественного сравнения материалов в каждом конкретном случае. Как уже отмечалось, эти параметры необхо­ димы для оценки сопротивления материалов тепловому удару,

взависимости от условий которого они должны быть использованы

вразличных комбинациях друг с другом.

7.2.5.Пластичные материалы. Как показано в разделе 6.1.2,

имеется по меньшей мере пять параметров, определяющих долго­ вечность пластичных материалов. Используя упрощающие при­ ближения, число параметров можно уменьшить до трех. В связи с тем, что долговечность определяется несколькими параметрами, можно ожидать, что относительная оценка материалов будет из­ меняться в зависимости от условий испытаний. Для примера сравним медь О РНС и алюминий 24$Т.

Циклические деформационные свойства этих материалов из­ вестны для комнатной температуры. Зная их и другие физические свойства, можно определить параметры теплового удара следую­ щим образом:

Для бесконечной плоской пластины, подверженной действию теплового удара, после расчетов (рис. 7.9) можно представить различные сочетания аН и АТ [соответствует члену Т 0 в уравне­ нии (6.32)] по параметру долговечности этих двух материалов. Эти результаты получены путем определения величины и под­ становки в уравнение (6.32) с использованием для каждого мате­ риала характеристик, указанных в таблице. Величины N1 вы­

ческих деформационных свой­ ствах двух материалов при комнатной температуре, очевидно, что их структура при повышенных температурах не учиты­ вается. Целью настоящего анализа является не оценка двух материалов, а доказательство того, насколько важны условия испытания для относительной оценки материалов даже при отсут­ ствии фазовых превращений. Учет последних может привести к дополнительным трудностям в оценке материалов.

7.3.СПЕЦИАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ

При рассмотрении особенностей некоторых материалов, про­ являющихся в специфических условиях испытаний, необходимо постоянно иметь в виду, что характеристики зависят от этих условий. Как уже указывалось, сравнительная характеристика материалов может измениться с изменением условий испытаний, особенно если условия нагружения и температура приводят к по­ явлению структурных изменений в одном материале и к их отсут­ ствию — в другом. В той мере, в какой условия испытания соот­ ветствуют действительным эксплуатационным условиям, их использование разумно. Оно необходимо, когда имеют место не*

обычные металлургические эффекты. К сожалению, однако, условия испытания часто выбирают из соображений удобства, а не исходя из реальных условий. Для получения быстрого раз­ рушения — обычно для программы ускоренных испытаний — температура может быть выбрана значительно выше ожидаемой при эксплуатации материала. Разрушение действительно происхо­ дит рано, но польза таких испытаний в предсказании поведения материала в эксплуатационных условиях в данном случае ста­ новится сомнительной. В литературе имеется ряд данных об от­ носительных характеристиках различных материалов при раз­ личных условиях циклического изменения температуры (как медленного, так и быстрого, т. е. теплового удара), однако усло­ вия испытания часто недостаточно определены для того, чтобы распространить результаты испытаний на эксплуатационную температуру материала. По этой причине многие из имеющихся данных должны рассматриваться как относящиеся только к кон­ кретным условиям испытания и не могут распространяться на более общий случай. Все же полезно накапливать данные, которые могут частично служить руководством для выбора материала конструкции, а также отправной точкой для развития дополни­ тельных исследований интересующих материалов специального применения.

В.связи со значительным разнообразием условий испытаний

вразличных исследованиях оказывается целесообразным срав­ нивать только те материалы, которые испытывали в аналогичных условиях. Такой анализ должен учитывать тип испытываемого образца, так как польза от полученных результатов зависит в зна­ чительной мере от степени соответствия условий испытания образца

иусловий работы детали в конструкции.

7.3.1.Цилиндрические образцы. Наиболее полная информация

оповедении материалов в условиях циклического изменения тем­ пературы получена на сплошных или трубчатых цилиндрических образцах, в которых температурные напряжения возникают вслед­ ствиестеснения теплового расширения при медленном цикличе­ ском изменении температуры в заданных пределах. Преимущество таких образцов перед образцами, более близко имитирующими детали машин, заключается в том, что температура, деформация-

инапряжение могут быть измерены достаточно точно, что обеспе­ чивает лучшую интерпретацию результатов. Дополнительно к ин­ формации по основным свойствам материалов испытания обеспе­ чивают данные по специальным характеристикам, используемым

в исследованиях. Некоторые материалы рассмотрены в связи с аналогом основных свойств и здесь только перечислены. Ниже описаны материалы, предназначенные для эксплуатации при достаточно высоких температурах.

Нержавеющая сталь типа 347. Свойства этого материала в ус­ ловиях механического и термического циклического деформиро­ вания исследованы Коффином с сотрудниками (см. гл. 5). Труб­

чатые цилиндрические образцы с жестко защемленными концами (для предотвращения перемещений в связи с температурным удли­ нением) попеременно нагревали электрическим током и охлаждали, пропуская воздух через внутреннюю полость [7.8]. Для заданной пластической деформации за 1Йшл долговечность в испытаниях при действии температурных напряжений уменьшается приблизительно

в10 раз по сравнению с механическим нагружением при постоян­ ной температуре 350° С, равной средней температуре цикла [7.1 ].

Таким образом, хотя эти испытания показывают,.что темпера­ турные деформации в большей мере влияют на долговечность, чем механические, расчетные значения деформаций могут содер­ жать значительную ошибку, вызванную локализацией деформации

всередине образца. Кроме того, при испытании с циклическим изменением температуры большая деформация развивается при температуре, значительно превышающей среднюю температуру испытаний в условиях циклического механического нагружения и при более низкой частоте, чем в этом случае. Так как долговеч­ ность существенно зависит от температуры и от скорости дефор­ мирования, различие между механическим и температурным деформированием может оказаться не столь большим, как это следует из данных этих испытаний.

Сплав 5-816 и инконель 550. Эти материалы исследованы в условиях термической усталости Клауссом и Фриманом и исполь­ зованы в гл. 5 для иллюстрации свойств термоусталости [7.7]. Среди важных выводов этого исследования отметим тот факт, что максимальная температура и структурные факторы имеют большое значение и определяют циклическую долговечность при термической усталости.

Сталь тигельной выплавки 422. Термоусталостные испытания ферритной стали, которая упрочняется при переходе феррита в мартенсит, проведены Клауссом [7.6]. Цилиндрический образец жестко закрепляли в массивных медных зажимах и нагревали, пропуская электрический ток через образец. Охлаждение обеспе­ чивалось воздушной конвекцией и пропусканием холодной воды через медные зажимы. Минимальную температуру поддерживали равной 93° С, а максимальную температуру изменяли. Цикл состоял из 30 с нагрева до Ттах, 15 с выдержки при ТтаХ1 30 с ох­ лаждения до 93° С и 15 с выдержки при 93° С. На рис. 7.10 пока­ зано число циклов до разрушения в зависимости от максимальной температуры при этих испытаниях. Отмечены два момента: по­ явление трещины, которое определялось локальным повышением температуры в образце, происходящем в связи с местным увели­ чением удельного сопротивления, и полное разрушение. Раз­ рушение ускорено за счет местного перегрева, возникшего после

Тшах > 648° С долговечность уменьшается быстро. Для сравне­ ния показаны данные для 8-816 и инконеля 550, испытанных на одной и той же установке. Эти материалы более долговечны при всех условиях испытания.

Результаты испытаний стали 422 иллюстрируют вопрос о воз­ можности использования материала (см. раздел 7.1). Этот фер­ ритный материал неприемлем для эксплуатации при температуре

Рис. 7.10. Влияние максимальной тем­ пературы цикла на циклическую дол­ говечность некоторых высокотемпера­ турных сплавов [7.6]:

/ — сплав 816; 2 — инконель 550; 3 — сталь 422

выше 648° С, так как воздействие такой температуры вызывает дальнейшее старение мартенсита и переход к ферриту и сфероидизированиым карбидам, сопровождаемый потерей твердости и проч­ ности. Но в том интервале температур, в котором этот материал применяется, его сопротивление действию циклических темпера­ турных напряжений оказывается очень высоким.

Инконель. Свиндеман и Дуглас испытывали инконель в усло­ виях термического и механического циклического деформирования

Рис. 7.11. Результаты термических испытаний при средней температуре 704 ( • ) и 815° С (о ) и механиче­ ских, граница * разброса включает данные испытаний со средней тем­ пературой 704, 815 и 870° С [7.33]

[7.33]. Для испытаний на термическую усталость ^использована установка типа установки Коффина. Для создания циклических нагрузок растяжения и сжатия применен гидравлический цилиндр. Авторы сопоставляли данные по истинной пластической деформа­ ции за цикл и получили хорошую корреляцию между механиче­ ским и термическим циклическим нагружением (рис. 7.11).

Сопротивление циклическому деформированию инконеля изме­ няется сравнительно мало в диапазоне от 705 до 870° С. Это, в частности, может быть причиной такой хорошей корреляции. Для рассмотренной рержавеющей стали 347, а также никеля

и титана, которые описаны ниже, имеет место обратная картина. За счет этого у инконеля отмечена меньшая тенденция к концен­ трации деформации и меньшее влияние деформации при более высокой температуре (связанное с термическим деформированием при данной средней температуре), чем для других материалов.

Материалы с крупным зерном оказались значительно хуже, чем материалы с мелкозернистой структурой (при механическом циклическом нагружении при 815° С и, по-видимому, также при термическом нагружении). Циклическое деформирование при низкой частоте приводит к значительно более низкой долговеч-

Рис. 7.12. Кривые термической усталости для сплавов удимет 500 (а) и ДСМ (б) [7.23]

носту, чем циклическое деформирование при том же уровне де­ формации, но при более высокой частоте. Подтверждение этого факта получено Карлсоном [7.4].

ДСМ и удимет 500. Литые сплавы применяют для лопастей турбин частично в связи с их превосходными свойствами (по срав­ нению с поковкой), которые могут быть достигнуты, но главным образом в связи с простотой производства и низкой стоимостью. Однако литые сплавы обычно имеют более низкую пластичность,- чем кованые сплавы той же марки. Два литых сплава ДСМ и удимет 500 имеют, например, относительное сужение ф = 10% при температуре меньше 760° С. Поэтому в результате некоторых приближенных оценок (гл. 3) можно ожидать очень низких зна­ чений ер в диапазоне долговечности более 100 циклов. При испы­ таниях этих двух материалов на термическую усталость Мерингер и Фелгар обнаружили очень низкую точность определения пла­ стической деформации за цикл, когда размах упругой деформации •вычитается из полной [7.23]. В связи с этим материалы сопо­ ставлены, исходя из значений напряжений, а не пластической деформации [7.23].

Результаты испытаний на термическую усталость' на уста­ новке типа установки Коффина показаны на рис. 7.12. В боль­ шинстве случаев минимальная температура была равной 148° С,

а максимальная варьировалась в диапазоне <~482—927° С. Та­ ким образом, температура, при которой развивались наибольшие пластические деформации, существенно изменялась от испытания к испытанию, и значение этих данных трудно переоценить. Долго­ вечности обоих материалов при одинаковых размахах напряжений отличались незначительно.

Никель и титан. Усталостные характеристики никеля А и ти­ тана Т175А в условиях действия температурных напряжений ис­ следованы и сопоставлены с характеристиками при механическом

Рис. 7.13. Зависимость числа циклов от пластической деформа­ ции для титана типа Т175А; средняя температура 301° С (а) и никеля типа А, средняя температура 274° С (б) при механиче­ ском (/) и термическом (2) нагружении [7.21]

нагружении Меджорсом [7.21 ]. В этих испытаниях температурные напряжения создавали в трубчатом образце, который попеременно нагревали электрическим током и охлаждали, пропуская воздух через внутреннюю полость. В условиях механического цикличе­ ского деформирования образец испытывали при постоянной тем­ пературе, а нагрузка создавалась за счет изменения температуры направляющих колонн испытательной машины при нагреве элек­ трическим током и охлаждении воздухом.

за цикл. Для обоих материалов как в условиях механической, так и термической усталости, существует линейная зависимость

деформации в процессе механического и термического нагружений. Эти результаты соответствуют результатам Коффина по стали 347, но противоречат данным Свиндемана и Дугласа по инконелю. Частично это может происходить из-за локализации деформации при высоких температурах при испытаниях с термическими напря­ жениями, из-за металлургических факторов (коррозии, микроструктурных изменений и т. д.), связанных с высокими темпера-

турами, из-за появления структурных напряжений, образую­ щихся вследствие различного температурного расширения вклю­ чений и основного материала. Эти результаты подтверждают, что свойства при термической усталости не всегда можно пред­ сказать по результатам механических циклических испытаний, проводимых при средней температуре цикла испытания с цикли­ ческим изменением температур.

7.3.2.Образцы с тонкими кромками. Цилиндрические образцы

сострым надрезом часто применяют при испытаниях на тепловой удар, так как они имитируют многие встречающиеся на практике элементы конструкций, подверженные действию теплового удара,

ив связи с тем, что подобная геометрия способствует ускорен­ ному разрушению от теплового удара. Лопатки турбины являются примерами таких деталей, в которых наличие острых кромок (входной и задней) продиктовано аэродинамическими соображе­ ниями. Когда турбина приходит в движение или внезапно оста­

навливается, в острых кромках резко изменяется температура в связи с высоким коэффициентом теплоотдачи на этих участках

ибольшим значением отношения поверхности к объему. Стремление кромок расширяться при нагреве или сжиматься

при охлаждении сдерживается относительно массивной централь­ ной частью поперечного сечения, что приводит к появлению тем­ пературных напряжений. При внезапном охлаждении острые кромки подвергаются растягивающим напряжениям (и растяги­ вающим пластическим деформациям, если напряжения превышают предел текучести материала); при резком нагреве кромки под­ вергаются сжатию. Когда температура сечения становится отно­ сительно равномерной, в острой кромке развиваются напряже­ ния (и пластические деформации) обратного знака, но не всегда такой же величины, как и при тепловом ударе. Результатом после­ дующего циклирования является деформация цилиндра (коро­ бление).

Разрушение может быть определено по одному из следующих критериев: 1) достижение определенной величины деформации; 2) появление первой трещины; 3) развитие трещины определен­ ной длины; 4) полное разрушение. К сожалению, эти определения

чине нельзя сравнивать результаты различных экспериментов. Тем не менее ниже они систематизированы, но не по результатам испытания того же самого материала при различных методах испытания, а по типу испытательного оборудования.

Исследования при охлаждении в воде. Одно из ранних иссле­ дований [7.37 ] образцов с острыми кромками заключалось в на­ греве цилиндрического образца до высокой температуры и после­ дующем охлаждении в воде. Образец показан на рис. 7.14, а. Для имитации передних и задних кромок сопловых лопаток выбраны клиновидные образцы с охлаждаемым краем толщиной