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

скоростью теплового деформирования образца и системы силонагружения и скоростью перемещения захвата силонагружающего уст­ ройства. Это соотношение необходимо строго выдерживать только в том случае, если изменение усилия не зависит от изменения темпера­ туры, т. е. при испытаниях в условиях совместного и независимого изменения температуры и нагрузки по одинаковой программе (см. рис. 16, б). Если возникновение и изменение напряжений обу­ словлено изменением температуры, как это имеет место при испыта­ ниях на термическую усталость защемленных образцов (см. рис. 16, в), скорости теплового деформирования и нагружения автоматически совпадают.

Кривые изменения температуры образца и тепловой деформации системы силонагружения во времени, полученные при свободном

разец. Кривая 1 показывает изменение температуры образца в его сечении, равноудаленном от

концов. Если к нагреваемому или охлаждаемому образцу прикла­ дывать внешнюю нагрузку, основным условием плавного нагруже­

ния образца будет выполнение условия ем > е?, где ем — скорость перемещения подвижного захвата образца при внешнем нагруже­

нии; &т— скорость деформирования элементов системы нагруже­ ния при нагреве незащемленного образца.

На ветвях нагрева и охлаждения (кривая 2) имеются два участ­ ка с большими и меньшими скоростями изменения тепловой де­

формации. Неравенство ем > должно выполняться для всего интервала температур, поэтому при нагружении системы захват сило­ нагружающего устройства должен иметь нелинейный закон пере­ мещения, аналогичный закону теплового деформирования системы во времени при большем абсолютном значении скорости. Однако практическое осуществление этого требования представляет значи­ тельные трудности, так как закон изменения тепловой деформации зависит не только от скорости нагрева — охлаждения и уровня тем­ ператур, но и от сечения образца, материала и формы захватов, условий теплообмена. Это значит, что для каждого конкретного материала и уровня температур потребовалась бы установка с меха­ низмом нагружения, обеспечивающим определенные закон и ско­ рость перемещения захватов.

Если же нагружающему механизму задать скорость переме­ щения, равную какой-то средней скорости тепловой деформации

за цикл, то диаграмма изменения нагрузки и деформации будет иметь вид, представленный на рис. 30, а (кривая 2). Наличие участ­ ка А на ветви растяжения и участка В на ветви сжатия объяс­ няется превышением скорости изменения тепловой деформации для этих участков над скоростью перемещения захватов. В отдельных случаях при испытаниях до высоких температур наблюдаются про­ валы на кривой 2 деформации (см. рис. 30, а), вызванные уменьшением

предела текучести материала при росте температуры и его пластическом деформировании при сжатии.

Характер изменения петли гистерезиса для монотонного цикла изменения усилия и деформации образца (У), а так­ же в условиях равенства ско­

тое в описанной установке, позволило избежать искажения диаграм­ мы деформирования в процессе испытаний.

Чтобы обеспечить наиболее близкое совпадение деформацион­ ного и силового циклов, можно использовать следящую систему, работающую от тензодатчика деформации образца и управляю­ щую его силонагружением в зависимости от скорости деформиро­ вания.

Измерение и запись деформации и усилия. В процессе испыта­ ний на установке УТУВ-1 измерялась общая деформация образца

идействующее в нем усилие. Эти величины невозможно измерить

спомощью тензодатчиков омического сопротивления, наклеенных

на образец, так как температура испытаний значительно превыша­ ет тот предел, до которого могут использоваться такие датчики. Надежность получаемых результатов обеспечивалась путем исполь­ зования обычных тензодатчиков сопротивления, вынесенных из зо­ ны высоких температур й вакуума и помещенных на упругие эле­ менты, так же как и в низкотемпературных установках.

Деформация и усилие образца 1 записывались по сигналу со­ бранных в мостовые схемы датчиков, наклеенных на скобы 14 и плиту 19 (см. рис. 19). Сигналы, поступающие от тензодатчиков, усиливались тензостанцией 8АНЧ-7М и подавались при изотерми­ ческих испытаниях на двухкоординатный электроннолучевой ос­ циллограф С1-4, а при неизотермических испытаниях — на шлей­ фовый осциллограф Н-700, в кассете замедленной перемотки кото­ рого записывалась осциллограмма со скоростью 2,5 мм/сек. Система измерения тарировалась с помощью стрелочных индикаторов с ценой деления 0,01 мм и динамометров типа ДС-1 с ценой деления 2,5 кГ. При тарировке наблюдалась линейная зависимость между величиной деформации (усилия) и сигнала, поступающего с датчи­ ков на осциллограф.

Величина действующего в образце усилия определялась по ос­ циллограмме с учетом поправки на жесткость скоб, включенных в силовую цепочку параллельно образцу. Методику определения пла­ стической составляющей деформации за цикл, на использовании ко­ торой основывается целый ряд деформационных критериев разру­ шения металлов, рассмотрим ниже. При расчете будем оперировать абсолютными значениями деформаций рабочего участка образца б. Суммарная деформация образца и системы силонагружения за цикл, записываемая в процессе неизотермических испытаний, определяет­ ся как

где 6м — механическая деформация образца и системы силонагру­ жения, состоящая из пластической деформации образца и упругой

деформации системы силонагружения и образца (6м = б£ + 6ПЛ);

6т — тепловая деформация системы силонагружения, включающей образец и детали крепления.

Пластическую (абсолютную) деформацию образца при испыта­ ниях по второй программе (см. рис. 16, б) можно определять следую­ щими тремя основными способами. Первый из них основывается на определении амплитуды суммарной деформации и ее тепловой и упругой составляющих по рабочим осциллограммам. Такие осцил­ лограммы приведены совмещенными на рис. 31.

Из (1.6) величину пластической деформации за цикл можно

и образца при максимальной и минимальной температурах цикла.

Упругая деформация 6У определяется по осциллограммам, за­ писанным при нагружении образца знакопеременным усилием, соот­ ветствующим рабочему, при нормальной температуре. При этом

величина б^пнп не зависит от температуры, а значение бутах при вы-

Рис. 31. Осциллограммы записи суммарной 6 |, тепловой 6£ и упругой деформаций системы силонагружения и образца.

сокой температуре меньше, чем при комнатной на величину, опре­ деляемую изменением модуля упругости при повышении темпера­

туры. Этим изменением бутах при расчете бпл можно пренебречь, так как его величина ниже погрешности измерения дефор­ мации.

Тепловая деформация б£ определяется по осциллограммам, за­ писанным при изменении температуры ненагруженного образца в рабочем интервале. При этом необходимо учитывать, что в течение нескольких первых после запуска установки циклов время нагрева и охлаждения образца изменяется, поэтому тепловая деформация, как правило, записывается при стабилизированном температурном цикле.

Таким образом, окончательное выражение для определения плас­ тической деформации образца первым способом имеет следующий вид:

Рассмотренный способ позволяет определять пластическую де­ формацию за цикл после измерения большого числа величин, что, естественно, сказывается на точности измерения.

Принцип определения пластической деформации образца вто­ рым способом можно объяснить с помощью рис. 32 [194]. В процессе испытаний при охлаждении образца к нему прикладывается сжи­

мающая нагрузка P min, которой соответствует деформация б^тт. Если величину этой нагрузки уменьшить до нуля при минимальной

температуре цикла, произойдет изменение S^min ДО бГтт на вели­ чину 65min:

где 6imin — суммарная деформация образца и системы силонагружения при нулевой нагрузке и минимальной температуре цикла. Далее производится нагружение образца до Ртлх и его нагрев до

Рис. 32. Схема определения пластической деформации образца в процессе испы­ таний.

максимальной температуры цикла с последующим охлаждением до Tmin и разгрузкой до нуля. При этом суммарная деформация

Выразив (1.9) и (1.10) через 6smin и б^тах и подставив в (1.8) их значения, получим

Этот способ определения пластической деформации образца при испытаниях в условиях совместного изменения температуры и на­ грузки (см. рис. 16, б) обладает наибольшей точностью из рассмат­ риваемых здесь способов, но может быть использован только при небольшой частоте нагружения образца. К его недостаткам следует также отнести невозможность определения деформации для большо­ го числа циклов, так как выдержки образца в разгруженном со­ стоянии при минимальной температуре цикла нарушают условия испытания и могут оказывать влияние на долговечность при раз­ личных напряжениях цикла. Поэтому применение этого способа мо­ жет быть оправданным при больших долговечностях, когда величи­ на пластической деформации мала и ее определение необходимо про­ изводить с максимально возможной точностью.

Третий способ определения пластической деформации основыва­ ется на построении петли гистерезиса, которая позволяет получить более наглядную картину взаимосвязи деформации и усилия за цикл нагружения. На рис. 33 приведены данные, иллюстрирующие графический метод построения петли гистерезиса по результатам

искаженную информацию о характере нагружения и деформирова­ ния образца.

Идентичность тепловой деформации нагруженного и ненагруженного образца, что весьма важно при построении петель гистере­ зиса, обеспечивается, если распределение температуры по длине образца и градиенты температуры для этих двух случаев идентич­ ны. Для наших условий такое соответствие практически выполня­ лось, поэтому при определении абсолютной пластической деформа­ ции допустимо использовать значение тепловой деформации ненагруженного образца.

Необходимо отметить, что петля гистерезиса при испытаниях в неизотермических условиях не является симметричной относитель­ но оси деформации. Это можно объяснить тем, что растяжение образ­ ца происходит при высокой температуре, а сжатие — при более низкой (как, например, в нашем случае), вследствие чего оказыва­ ются различными модули упругости, пределы текучести при растя­ жении и сжатии и т. д.

При изотермических условиях испытания построение петли гис­ терезиса производится по осциллограммам записи суммарной дефор­ мации и усилия образца, так как необходимость в исключении теп­ ловой деформации отпадает. В этом случае петля гистерезиса прак­ тически симметрична относительно оси абсцисс, и температурный фактор не оказывает влияния на характер деформирования материа­ ла при растяжении и сжатии.

Для каждого из рассмотренных трех способов точность опреде­ ления пластической деформации, как показали соответствующие

рой способ, однако следует отметить, что все эти способы практиче­ ски пригодны только для определения деформации в пластической области.

Большая величина погрешности при определении пластической деформации обусловлена спецификой неизотермических испытаний. При этом основная доля погрешности связана с обработкой осцил­ лограмм, а уменьшение ее величины вследствие увеличения масшта­ ба записи осциллограмм ограничивается соизмеримостью тепловой деформации с механической деформацией образца в пластической области.

При изотермических испытаниях тепловая деформация за цикл изменения нагрузки равна нулю, и в этом случае погрешность изме­ рения может быть существенно уменьшена, если величину пласти­ ческой деформации определять не по результатам записи усилия и деформации на шлейфовом осциллографе, как при неизотермиче­ ском нагружении, а регистрировать непосредственно в процессе испытаний на приборе с двухкоординатной записью.

Блок-схема аппаратуры, разработанная для записи диаграмм деформирования при изотермических испытаниях в диапазоне частот нагружения от 0 до 35 гц, приведена на рис. 34 [198]. В нее входят