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

ких к (То,2- С увеличением а тах протяженность участка установив­ шейся ползучести уменьшается для всех типов сплавов и становится равной нулю при напряжениях, близких к пределу прочности. Соответственно в уменьшением длительности периода установив­

шейся ползучести уменьшается роль составляющих еа* в накопле­ нии активной деформации и увеличивается удельный вес деформа­

ции ea*, накапливаемой в полуциклах растяжения на стадии зату­ хающей циклической ползучести.

Таким образом, пластическая деформация, накапливаемая за один цикл при активном нагружении, определится как

ляющая активной деформации равна нулю на первых двух стадиях циклической ползучести, а также при усталостном разрушении и в расчетах не учитывается.

Напомним, что при треугольном изменении нагрузки реализу­ ется деформация только от активного нагружения.

При циклировании с выдержками на максимальном уровне на­ грузки, как отмечалось, в материале происходит накопление и де­ формации ползучести р.

Необходимо подчеркнуть, что в настоящее время еще не выра­ ботана единая точка зрения на взаимосвязь процессов ползучести при действии циклических и постоянных нагрузок [126]. Отмечает­ ся только, что в определенных условиях нагружения при малых скоростях роста напряжений деформация ползучести может накап­ ливаться и в процессе активного деформирования материала [1271. Вклад такой деформации ползучести в общую накопленную дефор­ мацию не рассматриваем, так как при испытаниях на малоцикловую усталость (частота 2—4 цикл/мин) при нормальной температуре скорость нагружения составляет величину порядкаб—10кгс/мм2/сек, а в этом диапазоне скоростей [127] активное деформирование не со­ провождается ползучестью.

Схематизированная кривая циклической ползучести с учетом деформации ползучести р, накопленной только на участках выдерж­ ки при Р тах, приведена на рис. 95. Деформация ползучести стаби­ лизируется после некоторого числа циклов нагружения на втором участке кривой Циклической ползучести и ускоряется на третьем.

В пределах одного цикла нагружения (см. рис. 95, в) в зави­ симости от его порядкового номера, времени выдержки и макси­

мальных напряжений ползучесть может быть затухающей, устано­ вившейся или ускоренной, при этом ее скорость на границе каж­ дых двух соседних циклов одинакова. Следовательно, при дефор­ мировании материала соблюдается непрерывность и монотонность процессов ползучести и циклирование нагрузки не влияет на их характер.

Известно, что для описания первых двух стадий ползучести при постоянной температуре Т пользуются гипотезой упрочнения [126]

Рис. 95. Схема накопления деформации ползучести при повторно-статическом мягком нагружении (г = 0):

/ — — номера циклов.

в виде р = / (а, р, Т)9 так как степень упрочнения конструкцион­ ных сплавов увеличивается по мере роста деформации ползучести. В более общем виде для случая циклирования нагрузки это уравне­ ние можно записать как кинетическое уравнение ползучести, в ко­ торое входит ряд структурных параметров qu ..., qk:

с помощью этого уравнения, если принять, что кроме параметра

О том, что скорость ползучести при циклировании нагрузки на участках выдержки зависит от времени твн и частоты п (т. е. от ве­ личин, которыми может быть охарактеризована цикличность при­ ложения нагрузки), свидетельствуют приведенные в табл. 11 и на

Т а б л и ц а 11

Зависимость скорости ползучести и долговечности сплава ВТ6С от формы цикла

рис. 96 данные. Кривые циклической ползучести 1,2 и кривая пол­ зучести при постоянной нагрузке 3 построены в координатах накоп­ ленная пластическая деформация — приведенное время до разруше­ ния. Кривая 1 соответствует треугольному циклу изменения нагруз­ ки, кривая 2 характеризует условия деформирования с выдержкой при Ртах длительностью 12 сек.

Приведенное время за цикл для этих кривых определялось по рас­ четной зависимости [69]

1

+ (Т н + Т р) ^ - + 1 • ( I V -6 )

определенной для 60 циклов нагружения по кривой 2 (точка А), соответствующую деформацию еа, определенную для 60 циклов на­ гружения по кривой 1 (точка А'), получим деформацию ползучести р, накопленную на участках выдержки при трапецоидальном цикле нагружения:

Р = епл — еа = 2,1 %.

Как следует из этих элементарных построений, условно можно считать, что деформация, соответствующая на кривой 2 участку ОВ (1,8%), накоплена в результате активного нагружения, а соответствующая участку ВА (2,1%) — вследствие ползучести. Такая же деформация ползучести при постоянной нагрузке ссответ-

ствует участку В'С на кривой 3 (2,1%). Поэтому скорость ползу­ чести, рассчитанная только на участках выдержек, для кривой 2

составляет 15 1СГ"4 мм/мм/цикл, а скорость ползучести, определен­ ная по кривой 3,— 4,5 104 мм/мм/цикл.

Приведенные для циклически стабильного титанового сплава ВТ6С данные показывают, что циклирование нагрузки резко уве­ личивает скорость ползучести. С увеличением времени выдержки при Ртах процессы ползучести замедляются и кривые циклической ползучести смещаются от / к 3. Изменение же скорости циклирова.

ния нагрузки о влияет на положение кривой 7, и, кроме того, при уменьшении скорости ниже определенной величины требуется учи­ тывать составляющую ползучести от активного нагружения.

Таким образом, с одной стороны, циклирование нагрузки уско­ ряет процессы ползучести и уменьшает время до разрушения, с дру­ гой стороны, при осуществлении выдержек на максимальных уров­ нях нагрузок уменьшается число циклов до разрушения (см. табл. И). Такое изменение долговечности по времени и числу циклов нельзя объяснить простым увеличением накопленной деформации в результате добавления только активной составляющей в первом случае и составляющей ползучести во втором. Как следует из про­ веденного анализа, изменяется вклад этих составляющих в процесс разрушения при варьировании параметров цикла и максимальных напряжений, а также их взаимное влияние. При этом, что особенно важно, величина предельной пластической деформации, по достиже­ нии которой наступает разрушение, остается постоянной (см. рис. 96) и не зависит от кинетики накопления деформации и вклада ее составляющих.

Необходимо подчеркнуть, что взаимное влияние двух составля­ ющих пластической деформации изучено совершенно недостаточно. Известные данные в основном относятся к случаю однократного на­ гружения при кратковременной ползучести. Так, в работе [127] подчеркивается, что ползучесть является одним из видов пласти­ ческой деформации, и поэтому ее механизм аналогичен механизму пластической деформации. Однако между ними есть отличие: сте­ пень локализации деформации от активного нагружения больше, чем от ползучести. Поэтому утверждается, что имеет место взаим­ ное влияние полей деформаций на их величину и на скорость про­ текания процессов деформирования. Эффективность такого влия­ ния зависит от материала, параметров нагружения и величины реализуемых деформаций. С одной стороны, считают [127], что если пластическая деформация при однократном нагружении не превышает 1—2%, она не создает упрочнения и не влияет на ско­ рость ползучести и на деформацию ползучести. При больших де­ формациях такое влияние наблюдается, оно носит сложный харак­ тер и поэтому его учет сопряжен с большими трудностями. С дру­ гой стороны, ползучесть всегда влияет на активную составляю­ щую деформации в связи с упрочнением материала, однако этот факт не нашел в литературе еще количественного описания.

Следовательно, для произвольного цикла нагружения можно за­ писать

епл = (Р)а + (е.)*. (IV.7) Пока мы ничего не знаем о показателях степени а и Р, поэтому записанное соотношение можно рассматривать как аналитическое представление высказанной гипотезы о том, что величины состав­ ляющих деформации от активного нагружения и ползучести взаимо­ связаны. При этом еще раз необходимо подчеркнуть, что накоплен­ ная до разрушения полная пластическая деформация епл, как пока­ зано на рис. 96 и о чем свидетельствуют другие результаты [24, 91,

Итак, из рассмотренного можно сделать вывод о том, что кине­ тика деформирования конструкционных материалов при цикличе­ ской ползучести, скорость этого процесса, а значит, и долговечность материалов зависят от вида накапливаемой деформации. Предельное же состояние, определяемое при циклической ползучести величиной запаса пластичности материала, не зависит от того, каким образом этот запас пластичности реализован: в результате активного цикли­ ческого нагружения или в процессе ползучести.

При рассмотрении и совершенствовании теорий ползучести [85] обычно считают, что процессы активного деформирования и ползу­ чести имеют различную природу и поэтому соответствующие им де­ формации вычисляют независимо одна от другой. Такие подходы осуществляются в основном в теоретических работах. Эксперимен­ тальные приемы разделения этих составляющих еще недостаточно развиты и поэтому при разработке феноменологических методов рас­ чета на долговечность, основанных на экспериментальных исследо­ ваниях, разделение составляющих не производится, тем более что с точки зрения прогнозирования долговечности металлов и сплавов производить такое разделение нецелесообразно, так как число цик­ лов или время до разрушения при циклической ползучести опреде­ ляется располагаемой пластичностью материала и скоростью цик­ лической ползучести независимо от того, чем регламентируется вели­ чина скорости: процессами активного или пассивного деформиро­ вания. Вопрос разработки экспериментальных методов разделения активной и пассивной составляющих деформации является весьма актуальным в связи с необходимостью изучения их взаимного влия­ ния. На основании этого можно было бы по результатам простых испытаний (при треугольном нагружении и испытаниях на ползу­ честь) рассчитывать скорость ползучести для сложных условий на­ гружения, когда это взаимовлияние сказывается на кинетике про­ цесса циклической ползучести, и таким образом, без проведения сложных и трудоемких испытаний, проводить расчет долговечности.

Рассмотренная схема соответствует особенностям реального деформирования конструкционных сплавов и сталей в широком

диапазоне низких температур с исследованной нижней границей до —196° С. При более низких температурах наши исследования про­ водились только на сплавах титана, для которых в жидком гелии (—269° С) механизм одностороннего накопления пластической де­ формации имеет существенные отличия от механизма, рассмотрен­ ного выше. Как было показано, при нормальной, низких климати­ ческих и умеренно низких криогенных температурах процессы цик­ лической ползучести в металлах и сплавах, как правило, протекают

Рис. 97. Кривые циклической ползучести сталей Ст.З (а), 03Х20Н16АГ6 (б), сплава ЭИ437БУ (в) при 20° С, сплава ВТ5-1 (г), а также сталей 03Х20Н16АГ6 (.д) и 03Х13АГ19 (е) при — 196° С.

монотонно с различной интенсивностью на различных стадиях пол­ зучести. В связи с двойственностью характера разрушения в мало­ цикловой области процесс циклической ползучести охватывает или все стадии ползучести, тогда наступает квазистатическое разруше­ ние в результате реализации пластичности, или завершается на второй стадии усталостным разрушением.

В температурном интервале от 20 до —196° С в зависимости от циклических свойств материала и уровня температуры, при котором проводятся испытания, удельный вклад накопленной на различных стадиях циклической ползучести пластической деформации в общую деформацию до разрушения будет различным. На рис. 97 показаны гри типичных семейства кривых циклической ползучести, характе­ ризующие различный вклад составляющих в полную деформацию ползучести. К первому типу можно отнести кривые, у которых мгно­ венная пластическая деформация и деформация, накопленная на стадии затухающей ползучести, малы, а установившаяся стадия весьма развита и накопленная на этой стадии деформация достига­ ет 40—50% от разрушающей. Такой характер ползучести свойствен малоуглеродистым сталям Ст.З, 20, 15Г2АФДпс, а также некоторым

титановым сплавам (ВТ 1-0, ВТ5-1, АТ2-2) (см. рис. 97, а, г). Ко второму типу можно отнести кривые (см. рис. 97, б, д), мгновенная пластическая деформация которых составляет свыше 50% от общей деформации, а стадии затухающей и установившейся ползучести менее развиты. Это кривые ползучести хромоникелевых сплавов Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6 и алюминиевых сплавов Д20-1, АМгб, 1203. К третьей группе могут быть отнесены кривые ползучести ти­ тановых сплавов ВТ 14, ОТ4, участки мгновенного деформирования, неустановившейся и установившейся ползучести которых при квазистатическом разрушении дают весьма малый вклад в общую дефор­ мацию ползучести, не превышающий 20—30%. В основном пласти­ ческая деформация при циклической ползучести этих сплавов на­ капливается на ускоренной, третьей стадии, предшествующей разрушению образца. При усталостном разрушении накопленная до разрушения пластическая деформация для сплавов с таким типом кривых ползучести также будет небольшой (см. рис. 39).

К четвертому типу относятся кривые ползучести, описывающие процессы циклической ползучести в сплавах типа ЭИ43БУ и 03Х13АГ19 (см. рис. 97, в, е), которые во всей области малоцикло­ вой усталости разрушаются только усталостно. При пульсирующем растяжении этих сплавов даже при напряжениях, близких к пределу прочности, стадия ускоренной ползучести на кривых ползу­ чести не реализуется. Мгновенная пластическая деформация, на­ капливаемая при активном деформировании сплавов такого типа в первом цикле нагружения, составляет от 80 до 95% от общей де­ формации, накопленной до разрушения.

Следовательно, не всегда высокопластичные сплавы характери­ зуются высокой способностью к накоплению пластических деформа­ ций на первой и второй стадиях циклической ползучести; эта спо­ собность может быть у них значительно ниже, чем у сплавов с ма­ лой пластичностью. Приведенное выше условное деление кривых циклической ползучести на различные группы, имеющие некоторую общность в особенностях протекания процессов ползучести на от­ дельных стадиях, показывает, что сопротивление ползучести для сплавов различных классов, которое можно охарактеризовать ве­ личиной деформации, накопленной на наиболее продолжительной установившейся стадии, не связано однозначно с пластичностью материала и его циклическими свойствами. Поэтому выбор материа­ ла с требуемыми свойствами по характеристике сопротивления циклической ползучести не может быть осуществлен на основании анализа только его характеристик кратковременной прочности и пластичности. В его основу должен быть положен метод оценки способности материала сопротивляться циклической ползучести с использованием соответствующих величин, определяемых при испытаниях на циклическую ползучесть. Необходимо подчеркнуть, что соотношение между интенсивностью процессов направленного пластического деформирования на различных стадиях циклической ползучести при понижении температуры изменяется неоднозначно

для исследованных сплавов в пределах одной области разрушения. Как показано в III главе, снижение температуры для всех еплавов сопровождается торможением процессов циклической ползучести и увеличением циклической прочности. При этом способность со­ противляться деформированию и разрушению изменяется по-раз­ ному: как правило, увеличение способности сопротивляться дефор­ мированию на установившейся стадии ползучести вызывает умень­ шение способности сопротивляться усталостному разрушению, и наоборот. Другими словами, чем менее развит участок установив­ шейся ползучести на кривых циклической ползучести, тем при мень­ шем числе циклов должно наступить усталостное разрушение для

Щ о Щ (о ,9 9 ^ ч jj. 54,0(0,9В)

Рис. 98. Кривые циклической ползучести стали Х18Н10Т (а) и сплава Д20-1 (б) при температурах 20° С (сплошные линии) и — 196° С (штриховые линии).

одного и того же сплава при различных температурах. Это утвержде­ ние иллюстрируется рис. 98 на примере сплавов, которые по-раз­ ному реагируют на снижение температуры. Кривые циклической ползучести каждого из сплавов для двух температур сгруппирова­ ны попарно таким образом, что напряжения цикла, отнесенные к пределу прочности, для каждых двух взаимно соответствующих кривых практически совпадают. Как видно, для различных сплавов интенсивность процессов циклической ползучести и характер разру­ шения для одинаковых приведенных напряжений существенно отличаются. Для стали Х18Н10Т кривые циклической ползучести при —196° С характеризуются менее развитыми участками уста­ новившейся ползучести. В этих условиях сопротивление направ­ ленному пластическому деформированию по сравнению с нормаль­ ными условиями увеличивается, что вызывает увеличение сопро­ тивления квазистатическому разрушению и способствует созданию благоприятной ситуации для наступления усталостного разруше­ ния. Для контрастного по своему поведению при охлаждении спла­ ва Д20-1 наблюдается обратная зависимость: уменьшение сопро­ тивления циклической . ползучести сопровождается уменьшением долговечности при квазистатическом разрушении и увеличением — при усталостном. Следовательно, изменение соотношения между протяженностью участков кривых циклической ползучести конст­ рукционных сплавов при понижении температуры от 20 дс —196° С фиксирует изменение их сопротивления циклической ползучести и, как следствие, сопротивления квазистатическому и усталостному

разрушениям. При низких температурах до —196° С накопление пластической деформации, так же как и в нормальных условиях, происходит вследствие совместного вклада активной и пассивной составляющих.

При переходе в область весьма низких температур до —269° С процессы циклической ползучести реализуются в основном путем активного деформирования материала, как, например, установлено

чести благодаря прерывистой текучести материала, после чего, как показано на рис. 99, а, процесс прерывистого течения прекращается и прекращается деформирование материала вплоть до разрушения, которое при —269° С имеет усталостный характер. Таким обра­ зом, в пределах точности наших измерений можно считать, что процессы циклической ползучести на установившейся стадии ползучести не протекают в титановых сплавах даже при весьма близких к пределу прочности напряжениях, и механизмы дефор­ мирования и разрушения этих сплавов при температурах до—196° С, с одной стороны, и при —269° С, с другой стороны, принципиально отличаются. Как следует из приведенных на рис. 72 и 73 данных, циклическая прочность при температуре жидкого гелия увеличи­ вается незначительно, но при этом для конструкционных сплавов наблюдается резкое уменьшение реализованной пластичности. Кри­ вые малоцикловой усталости при гелиевой температуре смещаются в область меньших долговечностей, а зона перехода по напряжени­ ям совпадает с пределом прочности, что иллюстрирует возможность осуществления при температуре —269° С при действии пульсирую­ щих нагрузок только усталостного разрушения. Если сравнивать кривые малоцикловой усталости в относительных напряжениях

omax/(JB, то оказывается, что способность сопротивляться усталост­ ному разрушению при понижении температуры от —196 до —269° С для титановых сплавов практически не изменяется.

Уменьшение пластичности металлов при —269° С, очевидно, связано с тем, что их деформирование в таких температурных усло­ виях связано с явлением прерывистой текучести. Вся накопленная до разрушения пластическая деформация при этом реализуется в основном в первом цикле при увеличении напряжений от 0 до атах,

ичастично в последующих нескольких циклах нагружения. Приве­ денные на рис. 99, а—в кривые циклической ползучести, диаграм­ мы статического и циклического деформирования показывают, что основной вклад в общую деформацию вносится при статическом ак­ тивном деформировании материала на первом цикле. Число всплес­ ков деформации при циклическом нагружении резко уменьшается

исоставляет для технического титана ВТ 1-0 не более 10—15 всплес­ ков против 60—100 всплесков при увеличении напряжения от 0 до атах в первом цикле. Для конструкционных сплавов ВТ5-1, ВТ6С, АТ2-2 число всплесков в первом цикле нагружения намного мень­ ше, чем для ВТ 1-0, и составляет для сплава ВТ5-1 в диапазоне мак­ симальных напряжений цикла отах = (0,9 -г- 1) ав от 1до 5 всплес­ ков, а для сплавов ВТ6С и АТ2-2 — не более 1—3 всплесков. При дальнейшем циклическом нагружении этих сплавов прерывистое течение не осуществляется, и поэтому участок неустановившейся затухающей ползучести не реализуется; на установившейся стадии деформация также не накапливается, и пластичность материала при таких условиях деформирования однозначно определяется величиной пластической деформации, накопленной в первом цикле при активном нагружении.

При испытаниях на малоцикловую усталость металлов в услови­ ях прерывистой низкотемпературной текучести максимальные на­ пряжения цикла необходимо выдерживать с точностью, обеспечи­ вающей их поддержание в диапазоне величин меньшем, чем интервал напряжений между двумя всплесками пластической деформации. Если это требование выполняется, то наличие всплесков будет обус­ ловлено характером деформирования материала, а не связано с его нагружением возрастающей от цикла к циклу максимальной нагрузкой.

Впроцессе наших испытаний по режиму, приведенному на рис. 1, б, такие требования выполнялись, и поэтому полученные для титана ВТ 1-0 данные свидетельствуют о возможности проявле­

ния такого механизма прерывистой текучести, который не связан с непрерывным возрастанием нагрузки, что имеет место при ста­ тических испытаниях на кратковременную прочность, а реализуется в условиях воспроизведения от цикла к циклу постоянной по вели­ чине нагрузки.