книги / Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом нагружении в условиях низких и высоких температур

В последние годы существенно расширилась температурная область использо­ вания металлов и сплавов в различных отраслях народного хозяйства. С одной стороны, интенсивное применение техники низких температур в народном хозяй­ стве и промышленное освоение районов с суровым климатом связано с необхо­ димостью эксплуатации машин и сооружений в условиях умеренного (до —70° С) и глубокого (до —269° С) охлаждения. С другой стороны, развитие авиастроения, ракетостроения, атомной энергетики и средств прямого преобразования тепловой энергии в электрическую вызывает необходимость все более широкого использо­ вания металлов при рабочих температурах выше 1000° С.

Без преувеличения можно сказать, что в экстремальных температурных условиях, так же как и в интервале нормальных и умеренно высоких температур, работоспособность и долговечность конструкций в основном ограничивается ха­ рактером циклического воздействия внешних нагрузок и циклического деформи­ рования и разрушения материала в наиболее напряженных зонах конструкций. Стремление максимально использовать возможности материала, вызванное необ­ ходимостью обеспечить малую металлоемкость, компактность и технологичность конструкций ограниченного срока службы, заставляет их создателей допускать такие условия работы материала в процессе эксплуатации, которые обусловли­ вают его разрушение после небольшого числа циклов нагружения в результате упруго-пластического деформирования.

Вопросы прочности металлов при малом числе циклов нагружения (мало­ цикловой усталости) в целом достаточно хорошо изучены и обобщены в ряде монографий, однако это изучение связано преимущественно с областью нормаль­ ных и умеренно высоких температур и условиями знакопеременного нагруже­ ния и деформирования, при которых влияние процессов ползучести на долговеч­ ность несущественно. Как показывает опыт эксплуатации различных объектов и конструкций в условиях очень низких и высоких температур, их долговечность при знакопостоянном, а в некоторых случаях и при знакопеременном цикличе­ ском нагружении может определяться характером протекания в материале про­ цессов циклической ползучести.

Именно малоисследованным вопросам прочности конструкционных сплавов низко- и высокотемпературного назначения при циклической ползучести и пос­ вящена данная монография.

В монографии представлены результаты оригинальных исследований, вы­ полненных в отделе усталости и термоусталости материалов Института проблем

прочности АН УССР в 1966— 1976 гг. Приведено описание установок для исследования малоцикловой усталости и ползучести при весьма высоких (до

цикловую усталость и циклическую ползучесть конструкционных сплавов на основе алюминия, титана, железа, хрома, никеля и марганца; описаны особен­ ности деформирования тугоплавких сплавов на основе молибдена и ниобия при высокотемпературных испытаниях. Большое внимание в работе уделено исследованию взаимосвязи характера усталостного и квазистатического раз­ рушения металлов с особенностями их деформирования и разрушения на структурном уровне, изучению особенностей циклической ползучести сплавов в различных условиях нагружения и рассмотрению расчетных зависимостей для прогнозирования долговечности металлов при их упруго-пластическом де­ формировании.

В монографии обобщены результаты многолетних целенаправленных ис­ следований, выполненных по единой программе для недостаточно изученной области малоцикловой усталости. Автор далек от мысли, что все рассмотрен­ ные проблемы решены в предлагаемой книге и что предлагаемые подходы к решению рассмотренных проблем являются единственными.

Автор выражает благодарность академику АН УССР Г. С. Писаренко и члену-корреспонденту АН УССР В. Т. Трощенко за содействие в проведении исследований, нашедших отражение в данной монографии, а также сотрудникам отдела физических основ прочности и отдела усталости и термоусталости мате­ риалов за помощь при выполнении отдельных экспериментов и их обсуждение.

Глава I

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ И ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ

ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Процесс разрушения металлов после небольшого числа циклов упруго-пластического деформирования называют малоцикловой усталостью.

Исследования в области малоцикловой усталости в последнее время получили интенсивное развитие, которое вызвано необхо­ димостью получения экспериментальных данных для прочностных расчетов высоконапряженных элементов конструкций, материал которых работает за пределом текучести. В процессе испытаний на малоцикловую усталость в материале наряду с изменением в ши­ роких пределах циклической деформации может происходить свя­ занное с удлинением образца направленное накопление пластиче­ ской деформации до величин, сопоставимых с остаточным удлине­ нием.

Цитирование нагрузки при малоцикловых испытаниях, как правило, осуществляется с частотой порядка 1—60 цикл/мин, по­ этому непрерывная длительность одного эксперимента в этом слу­ чае значительно больше, чем при многоцикловой усталости, и мо­ жет достигать нескольких месяцев при базах до 2 105 циклов. Следовательно, отличительная особенность малоцикловых испы­ таний связана с необходимостью инициирования и измерения в об­ разце больших пластических деформаций различного характера при низкочастотном нагружении в течение длительного времени.

В условиях экстремальных температур особое внимание при проведении таких длительных испытаний, наряду с обеспечением стабильной работы систем нагружения и измерения, должно уде­ ляться вопросам чистоты вакуума, экономичного расходования хладоагентов и стабильности температурных режимов с учетом специфики высоко- и низкотемпературных испытаний.

Серийно выпускаемые испытательные машины предназначены для исследования малоцикловой усталости только при нормальной и повышенных до 800° С температурах. Поэтому расширение тем­ пературного диапазона испытаний потребовало осуществления но­ вых методических подходов, реализация которых в Институте проб­ лем прочности АН УССР привела к созданию методик и установок, позволяющих проводить исследование малоцикловой усталости сплавов низкотемпературного назначения в широком интервале низких температур (до —269° С) и тугоплавких сплавов при весьма высоких температурах (до 2000° С). Ниже приведено описание уста­ новок и методик подобных исследований.

§ 1. Исследование прочности и пластичности металлов при низких температурах

Исследование циклической прочности конструкционных сплавов при нормальной и низкой температурах проводилось для условий пульсирующего нагружения. Это связано с тем, что среди ответ­ ственных конструкций и объектов низкотемпературного назначения весьма большим является удельный вес конструкций, материал ко­ торых работает при циклическом отнулевом растяжении, повторяю­ щемся в процессе эксплуатации, как правило, с небольшой частотой.

пластических деформаций, процесс которого характеризуют как явление циклической ползучести и которое возможно только в том случае, если максимальные напряжения цикла превосходят предел упругости или текучести материала. Для исследования особенностей деформирования и разрушения конструкционных сплавов в усло­ виях повторно-статического пульсирующего растяжения в широ­ ком диапазоне низких температур от 20 до —269° С разработаны установки, позволяющие проводить испытания по режимам, пред­ ставленным на рис. 1, а и б.

Нагружение по режиму рис. 1, а производилось при испытании малоуглеродистых и низколегированных сталей в интервале от 20 до —140° С, охватывающем и область климатических температур. В процессе испытаний к образцу прикладывалась пульсирующая по треугольному циклу нагрузка с регулируемся частотой от 5 до 60 цикл/мин.

Установка создана на базе гидравлической машины УММ-10 производства Армавирского завода испытательных машин, раз­ вивающей статическое усилие до Ю т, и пульта медленных пуль­ саций МП-1, позволяющего с использованием машины УММ-10 развивать пульсирующие нагрузки до 5 т. Установка состоит из системы нагружения образца, системы его охлаждения и регули-

нем гидроцилиндра 5 машины 6. Пульсация давления в рабочем гидроцилиндре 5 осуществляется с помощью пульсатора 9 (МП-1). Масло под высоким давлением поступает к пульсатору от пульта статического нагружения 7, в котором смонтирован шестиплунжер­ ный насос 8 с системой обратных и предохранительных клапанов. Все элементы гидросистемы для создания пульсирующих нагрузок (стабилизатор давления 12, золотник 11, гидропереключатель 26, клапанный распределитель 27 и регулятор слива 10) расположены в пульсаторе 9. При запуске установки масло высокого давления (до 150 атм) подается от насоса 8 по системе трубопроводов через полости 13 и 14 стабилизатора давления 12 в левую полость золот­ ника 11 и, перемещая его плунжер вправо, отсекает сеть высокого давления от регулятора слива 10. Давление в гидроцилиндре 5 ма­ шины повышается до максимального; параллельно с этим масло высокого давления из гидроцилиндра 5 через систему трубопрово­ дов и гидропереключатель 26, поступает в клапанный распределитель 27 и к скалкам 17 и 22 стабилизатора давления, которые начинают при этом перемещаться вниз.

Натяжение пружин 21 задается с помощью червячных пар 20 (в процессе предварительной установки максимального и мини­ мального давления цикла) таким, что скорость перемещения скалки минимального давления 17 больше, чем скалки 22. При ее опуска­ нии полости 15 и 16 соединяются и открывают левую полость зо­ лотника 11 на слив. Перемещение плунжера золотника влево про­ исходит после опускания скалки максимального давления 22, сое­ динения полостей 23 и 24 и поступления масла высокого давления в правую полость золотника. Переместившись, плунжер соединяет магистраль высокого давления со сливом, и давление в гидросисте­ ме падает. Под действием пружин скалки поднимаются вверх с раз­ личной скоростью, поэтому вначале через полости 24 и 25 происхо­ дит слив масла из правой части золотника 11, потом соединяются полости 13 и 14, масло подается в левую часть золотника, плунжер перемещается вправо, отсекая слив, и давление в гидросистеме на­ чинает расти. Далее цикл повторяется.

Давление в экстремальных точках цикла определяется по пока­ заниям манометров 18 к 19 и задается с помощью натяжения пру­ жин. Для переключения гидросистемы на режим статических испы­ таний служит гидропереключатель 26.

Частота пульсаций давления устанавливается в процессе пред­ варительной настройки за счет регулирования производительности насоса 8 и перепускной способности регулятора слива 10 и может изменяться от 5 до 60 циклов в минуту. При испытаниях образец охлаждали до требуемой температуры с помощью паров азота, которые подавались в рабочую камеру 28 [193] по трубопроводу 30 из дьюаров.

Температуру образца в процессе испытаний измеряли медьконстантановой термопарой 29. Температурный режим в рабочей камере, обеспечивающий постоянство температуры образца при дли­

тельных малоцикловых испытаниях, регулировали с помощью си­ стемы позиционного регулирования, состоящей из потенциометра 31 (ПСР-03), промежуточных реле 32, регулятора напряжений 33 и

также практически непрерывно, причем с понижением температуры испытаний расход жидкого азота увели­

чивается, особенно интенсивно при температурах ниже —60° С (рис. 4). Температуру поддерживали с точностью ± 5° С.

Необходимо отметить, что при охлаждении образца парами азота удалось получить достаточно хорошее распределение температуры по его рабочей длине (см. рис. 2). При понижении температуры гра-

диент увеличивается и при —140° С составляет 8° С. Температур­ ный режим в камере регулировали термопарой, закрепленной в не­ рабочей зоне образца (см. рис. 2, точка б), с использованием приве­ денных на этом рисунке результатов предварительной тарировки.

Конструкция рабочей камеры для создания зоны низких темпе­ ратур в рабочем пространстве образца представлена на рис. 5. Ее небольшие габариты и необходимость двустороннего ввода во внутренний объем захватов образца, что приводит к повышенному расходу хладоагента при низкотемпера­

бине камеры их диаметр увеличивается (общий вид распылителя показан на рис.6). Пары азота удаляются из камеры через спиральные канавки 5, благодаря чему интенсифициру­ ется охлаждение подвижного захвата б, теплоприток к образцу 7 уменьшается и, следовательно, понижается неравномерность распре­ деления температуры по его длине. Фиксация образца в подвижном б и неподвижном 8 захватах производится с помощью колоколообраз­ ного замка 9Учто предотвращает выход из соединения штифта 10 при длительных испытаниях. Доступ в камеру осуществляется через расположенные в ее боковых стенках окна, закрывающиеся крыш­ ками 11, рычажными защелками 12 и фиксирующими винтами 13.

Как известно, при испытаниях на малоцикловую усталость мак­ симальные напряжения цикла близки к пределу текучести мате­ риала или превышают его. При пульсирующем растяжении, осу­ ществляемом в процессе нагружения образца на описываемой уста­ новке, может происходить накопление односторонней пластической деформации, измерение которой целесообразно вести с помощью упругих элементов, в качестве которых в установке использовали двухсекционные скобы 14. Низкотемпературная секция скоб укреп­ лена непосредственно на рабочем участке образца специальными прижимами 15. К верхнему прижиму, через выведенные из камеры