книги / Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении
..pdfния температуры и напряжений происходит лишь в периферийной зоне (поверхностный слой) ролика, толщина которой зависит от скорости технологической операции, сокращаясь до малой величи ны (0,03...0,05 мм) при интенсификации технологического процесса [99]. Анализ напряженно-деформированного состояния для указан ных условий показывает, что максимальные значения компонент
Рис. 1.11. Термомеханическое нагружение роликов |
(£ = 410 мм) установки непре |
|||
рывной разливки стали |
(а) |
п валков |
(£ = 680 мм) |
прокатного стана при прокат |
ке ленты |
(б) |
[99, 132], |
7’т а х = 700°С; |
е,I max =0,32% |
тензора объемного напряженного состояния возникают именно в поверхностном слое ролика. При этом характер и вид (характер ное выкрашивание материала поверхности) термоусталостного раз рушения определяются прежде всего действием циклических тер мических напряжений и связываются с типом объемного напряжен ного состояния [99].
.Анализ напряженно-деформированного состояния валков про катного стана (см. рис. 1.11, б) показывает высокий уровень интен сивностей циклических упругопластических деформаций в поверх ностных объемах (еР=0,32%) элемента в сочетании с цикличе ским характером температурного воздействия при контакте с горя чей лентой в процессе технологической операции.
Высокие термические напряжения свойственны элементам дизельных двигателей транспортного назначения (поршень [106]), подвижного состава железнодорожного транспорта (вагонные цельнокованные колеса) [47] и др. Повреждения в виде характер ной сетки мелких трещин или сквозной макротрещины на днище поршня появляются в результате многократных изменений нагру зочных и скоростных режимов при работе дизельных двигателей на обычных и особенно форсированных режимах. Поверхностные слои металла цельнокованных колес подвижного состава испыты-
21
вают интенсивные термоциклические воздействия вследствие чере дования нагрева и охлаждения колес при торможении поезда ко лодками из композитных материалов. Температура нагрева поверх ности колеса из стали 20ХГСФ достигает 500...600° С, что в сочета нии с интенсивным охлаждением (в зимнее время) определяет вы сокие термические напряжения, порядка предела текучести мате риала. За два года эксплуатации пассажирских поездов отбраков ка таких колес по признаку термоусталостного повреждения до стигла 6% [47], что следует признать значительным, учитывая тре бования высокой нормативной надежности к такому оборудованию.
1.3. Напряжения и деформации в элементах конструкций при неизотермическом малоцикловом нагружении
Условия работы материала в опасных точках конструктивного элемента определяются прежде всего характером теплового и си лового воздействий. Для теплоэнергетического оборудования [53] типичны следующие режимы эксплуатации: 1— пуск паровой тур бины из холодного состояния, стационарный период и медленный останов (рис. 1.12, а); 2 — пуск из холодного состояния, стационар ный период, быстрый останов (рис. 1.12, г); 3 — пуск из горячего состояния, стационарный период и быстрый останов (рис. 1.12, ж). Работа материалов конструктивных элементов такого оборудова ния (ротор, корпус паровой турбины, барабаны котлов парогене раторов, детали арматуры и пр.) принципиально различается в за висимости от режима эксплуатации. Для рассматриваемых режи мов характерна нестационарность нагружения с наличием в обла сти высоких температур выдержки. Характер изменения цикличе ских деформаций для указанных режимов нагружения показан на рис. 1.12, б, д, з соответственно.
Для первого режима этапы деформирования материала дета ли на обогреваемой стороне 0 — 1— 2, 2 — 3 и 3 — 5 соответствуют прогреву детали с выходом на стационарный режим (рис. 1.12, в) полной релаксации остаточных напряжений на этом этапе и мед ленному останову, при котором градиенты температур максималь ны. Очередной цикл термомеханического нагружения определяется как 3 — 1—2 —3. За время пуска агрегата и прогрева детали ма териал претерпевает пластическое деформирование дважды.
Режимы пуска и останова вносят существенные изменения в процесс деформирования материала. Для режима при наличии резкого охлаждения циклическое деформирование протекает в со ответствии с диаграммой 1—2 —3 —4 — 5 — 1 (см. рис. 1.12, е). При этом линия 5 — 1— 2 соответствует повторному пуску, линия 2 —3 определяет релаксацию остаточных растягивающих напря жений при стационарном режиме, а линия 3 —4 — 5 — резкому ох лаждению детали и последующему естественному выравниванию температуры. Важными параметрами, характеризующими работу материала в этом случае, являются пластические деформации
22
0)
е)
Рис. 1.12. Типичные режимы термо механического нагружения (а, б, г, д, ж, з) и циклы упругопластического неизотермического деформирования (а, е, и) и материалы элементов энер гетического оборудования {53, 54]
23
ep, Sp и е]}1 соответственно на этапах пуска и охлаждения, а так же деформации ползучести ес на этапе стационарного режима.
Циклическая диаграмма (рис. 1.12, и) соответствует деформиро ванию материала поверхности детали, омываемой горячей средой перед пуском агрегата из горячего состояния [точка (5)]; цикличе ское деформирование при последующих циклах эксплуатации вы ражается в последовательности этапов 5 — 6 — 1, 1 — 2 — 3, 3 —
4 — 5. |
Начальное деформирование 5 — 6 с появлением растягива |
ющих |
напряжений обусловлено частичным охлаждением детали, |
поскольку температура средьг в начальный момент ниже, чем тем пература поверхности горячей детали. По мере роста температуры рабочего тела, прогрева поверхности за счет теплопередачи от сре ды напряжения становятся сжимающими, дважды меняя знак при переходе к концу прогрева (точка 2). Важно, что при высокой тем пературе термического цикла к концу прогрева и на стационарном режиме 2 — 3 деформирование и релаксация напряжений протека ют в полуцикле действия растягивающих напряжений. При этом накопление повреждений материалом конструкции в цикле термо усталостного нагружения определяется прежде всего необратимы
ми деформациями вр, е'р1 на этапах термического цикла и ес стационарного режима.
Для теплоэнергетического оборудования характерно перемен ное термическое воздействие двух видов. Первый вид нагружения связан с возникновением в элементах оборудования температурных градиентов на нестационарных периодах теплового цикла (прогрев и остывание), второй — с возникновением постоянного градиента в оборудовании при его эксплуатации (на стационарном режиме).
В первом случае материал работает в основном при повторных пластических деформациях, поскольку возникающие остаточные напряжения (обратного знака по сравнению с термическими) почти полностью релаксируют в период стационарного режима большей, как правило, длительности. Таким образом, в медленно охлажда емом оборудовании термические и остаточные напряжения практи чески отсутствуют.
Во втором случае максимальные температурные напряжения возникают при работе на стационарных режимах, несколько релак сируют, а при останове агрегатов происходит упругопластическое деформирование. В этих условиях возможны малоцикловое и тер моусталостное разрушения, а также необратимое формоизменение детали, приводящее к квазистатическим разрушениям. При этом процессы одностороннего нарастания необратимых деформаций протекают при действии высокого по всей толщине стенки перемен ного градиента температур.
В газотурбинных установках транспортного типа удельные теп ловые потоки характеризуются существенно большей интенсив ностью, чем в конструкциях теплоэнергетического оборудования. В основных элементах аппаратов (лопатки, диски и др.) • ускорен но протекают процессы формирования предельных (по условиям прочности) состояний. Для рабочих и сопловых лопаток турбины
24
авиационного газотурбинного двигателя характерными являются высокие температуры (до 1100°С), скорости нагрева и охлажде ния, в связи с чем по сечению развиваются большие перепады тем ператур (до 300° С) [75, 100]. В лопатках образуются зоны высоких термических и механических напряжений (передняя, задняя кромки и сердцевина лопатки) с наличием значительных упругопластиче ских деформаций. Чередование стационарных и нестационарных
Рис. 1.13. Термомеханическое нагружение опасных зон лопаток (в) газотурбинно го двигателя:
а — в точке у отверстия на вогнутой стороне профиля охлаждаемой лопатки [5]. «■-тах =
= 0,42%; б — распределение упругопластических деформаций вдоль хорды х охлаждаемой ло патил в период возникновения максимальных напряжений (штриховая линия, emllK= —0,7%)
и на стационарном режиме (сплошная линия) для времени нагрева соответственно 10 и 00 с )75| на вогнутой (/) и на выпуклой (2) сторонах профиля лопатки (сплав ХН35ВТЮ); дефор мации на стационарном режиме для точек А, В, С равны соответственно —0,32%, +0,207% и —0,427%; г — изменение температуры (/), термических напряжений (.2) и условной повреж даемости (.3), в кромке сопловой лопатки на характерном переходном режиме (сплав ХС6К)
[102, 103]
режимов в цикле эксплуатации агрегата (рис. 1.13) определяет ма лоцикловый характер процесса упругопластического деформирова ния в условиях переменных температур и приводит к разрушению за ограниченное число циклов [10, 75, 100].
В охлаждаемых лопатках газотурбинных двигателей (ГТД) сложность конструкции, стесненность деформаций и термоцикличе ское высокотемпературное нагружение приводят к возникновению малоцикловых повреждений. Принудительное внутреннее охлажде ние рабочих и сопловых лопаток позволяет в определенной мере
25
регулировать термомеханические напряжения кромок лопаток. При этом возможно такое распределение температур, что кромки не будут нагружены, однако возможно появление опасных зон в цен тральной части сечения лопатки у края каналов охлаждения [75, 101]. Рассмотрим, например, термонапряженное состояние лопатки турбины первой ступени двигателя Конуэй и Спей фирмы «РолсРойс» по данным зарубежной литературы.
Лопатки турбины двигателя Конуэй выполнены с тремя ради альными каналами, обеспечивающими охлаждение по петлевой схеме. Максимальная температура на стационарном режиме со ставляет: на задней кромке 900, в центре сечения 700° С. Расчет на пряжений для нулевого момента времени дает следующие резуль таты: на задней кромке <т= 140...280, в центре а=420...560 МПа. Наиболее напряженная точка сечения (по сочетанию температуры и напряжения) находится у внутренней стенки третьего отверстия для охлаждающего воздуха, а= 236 МПа, Гтах=800°С. В нуле вой момент времени местный запас прочности в этой точке равен 2,5, а для времени / = 1400 ч он снижается до единицы. При расче те по несущей способности срок службы лопатки составляет 6000 ч.
Лопатка двигателя Спей выполнена с пятью радиальными ка налами для охлаждающего воздуха.- Материал этой лопатки (Нимоник 115) пластически деформируется в зоне с температурой 1000° С (а=270 МПа) и упруго — в зонах с меньшей температурой: при Ттгх = 800° С а = 490 МПа (сто,2 = 640 МПа), при 7,т ах = 700°С, о= 76 МПа (сг0|2=83 МПа) и т. д. Введение охлаждения в лопат ки турбины снизило максимальную температуру на 200...250° С, но одновременно возросли перепады температур по сечению лопатки. Это вызывает необходимость учитывать малоцикловый характер повреждений при меняющейся температуре.
Представляют интерес данные, приведенные на рис. 1.13, а, ха рактеризующие термомеханические напряжения в опасной точке рабочей лопатки (из литейного жаропрочного сплава) у отверстия канала охлаждения на вогнутой стороне профиля [30]. В этих ус ловиях полная деформация в = 42% при 7’= 1000° С, расчетная дол говечность (с учетом статического повреждения на этапе VI) со ставляет всего 1250 циклов. Существенно, что в этой точке растя гивающие напряжения приходятся на высокотемпературную часть термического цикла.
Указанные особенности проявляются более контрастно для соп ловой охлаждаемой лопатки, подвергающейся воздействию только тепловых нагрузок. Анализ [75] напряженно-деформированного со стояния сопловой лопатки (рис. 1.13, б) в режиме термоцикличе ского нагружения от 70 до 900° С, моделирующего условия эксплу атации, показал, что в момент выхода на стационарный режим ма териал лопатки подвергается действию значительных упругоплас тических деформаций (в«0,5% ), достигающих при пиковых на грузках (в начальный момент) 0,7% с наличием характерных зон (рис. 1.13, в): в кромках лопатки — деформации сжатия (точки А и С), а в центральной части сечения на вогнутой стороне профи
26
ля — зона пластических деформаций растяжения (точка В) при высокой температуре, причем и в этом случае упругопластическая деформация значительна (е=0,3% ).
При оценке повреждаемости материала в опасных зонах кон структивных элементов следует принимать во внимание сочетание механической и тепловой нагрузок (их экстремальных значений).
Не всегда выполняется условие фазности (см. рис. 1.13, г) для экстремальных значений параметров термомеханического нагру жения. В рассматриваемом случае в кромке сопловой лопатки мак симальные напряжения сжатия при нагреве лопатки соответствуют температуре более низкой, чем температура полного прогрева. Опасные максимальные растягивающие напряжения возникают в полуцикле охлаждения, когда температура более чем в 2 раза ни же максимальной. При максимальной температуре термического цикла кромка практически свободна от термических напряжений. Сочетания температур и напряжений в полуциклах нагрева и ох лаждения определяют своеобразие процесса накопления повреж дений. Максимальные повреждения (кривая 3, рис. 1.13, г) воз никают не в момент экстремума напряжений и температур, а в про межуточном состоянии, когда способность материала сопротивлять ся циклическим нагрузкам оказывается пониженной.
Таким образом, не только режимы термического и механическо го нагружения, но и процесс упругопластического деформирования в опасных точках имеет нестационарный характер. Особенностью термомеханического напряженного состояния кромки лопатки яв ляется неоднородность распределения температур и напряжений; наиболее неблагоприятное сочетание напряжений и температур (но не экстремальных) имеет место в полуцикле нагрева, когда в кром ке действуют сжимающие напряжения. В целом для лопатки воз можно сочетание как сжимающих, так и растягивающих напряже ний в полуцикле высокотемпературного нагрева. Пластическое де формирование кромок приводит к возникновению поля остаточных напряжений при однородном тепловом состоянии и к изменению распределения напряжений по сечению в последующих циклах. При этом в формировании предельных состояний существенной оказывается роль процессов ползучести и релаксации [20, 29, 64, 68], протекающих наиболее интенсивно на этапе стационарного режи ма (период выдержки) и при наличии определенного уровня ста тических напряжений.
На примере моделей диска [53] рассмотрим роль формы и дли тельности термического цикла в образовании предельного состоя ния. Чисто термоусталостное нагружение осуществлялось путем периодического нагрева-охлаждения периферии модели с выдерж кой при максимальной температуре 0...19 мин. Проследим режим изменения тангенциальных напряжений (рис. 1.14, а) в связи с характером термоциклического нагружения и процессом упруго пластического деформирования (рис. 1.14, б). Нулевой полуцикл нагружения на стадии нагрева осуществляется на этапе 0 — 1 так, что в ободе возникают сжимающие напряжения, а суммарная де-
27
формация достигает 0,9%. Изменение напряжений |
на участке |
1— 2 — 3 происходит на этапе выдержки. Вначале |
идет разгруз |
ка 1— 2, а затем в результате прогрева центральной зоны возни кают растягивающие напряжения до 400 МПа, которые затем релаксируют до 250 МПа в конце выдержки. На этом этапе пласти ческое деформирование осуществляется в результате накопления
деформации ползучести ($")• Далее в результате интенсивного
Рис. 1.14. Влияние режима термоциклического нагружения на процесс уиругопластического деформирования в опасных зонах (а, б) и характер разрушения (в)
модели турбинного диска (53, 54]:
а — изменение напряжений за время термического цикла с выдержкой; б — развитие цикли ческих уиругоиластических деформаций за время термического цикла: в термопиклнческая прочность модели диска в зависимости от вида необратимой деформации ( / —ер , 2 ~ s z ir) и
времени выдержки (3)
охлаждения периферии диска происходит активное пластическое деформирование на этапе 3 —4 и наблюдается дальнейший рост растягивающих напряжений, которые снижаются при остывании центральной зоны до 100 МПа. Точка 5 (рис. 1.14, а и б) является началом очередного термоциклического нагружения, которое вы зывает деформирование на участках 5 — 1, 1— 2 —3 и 3 —4 — 5 в соответствии с основными режимами термического цикла на грев — выдержка —охлаждение.
В рассмотренном случае характерно сочетание экстремальных значений температур и напряжений на этапе выдержки, а также наличие растягивающих напряжений и накопление деформации
ползучести (е”) растяжения. Таким образом, в рассматриваемых элементах конструкций значимой, с точки зрения прочности, ста
28
новится роль растягивающих напряжений в области высоких тем ператур термического цикла с выдержкой (наиболее поврежда ющее сочетание), причем усиливается влияние деформаций ползу чести на формирование разрушения при термоусталостном нагру жении (рис. 1.14, в).
Как и для агрегатов теплоэнергетики, при определенных сочета ниях режимов термоциклического нагружения, действия статиче ских нагрузок и конструктивных параметров детали в элементах турбомашин может проявиться эффект формоизменения конструк ции в целом [10] или отдельных зон [70], выражающийся в накопле нии односторонних [12] деформаций [9, 44]. Этот эффект особенно характерен в условиях значительных градиентов по сечению детали и высоких температур термического цикла. Такой случай реализо ван при испытании дисков (диаметр диска 450 мм, диаметр ступи цы 70 мм) турбомашин по специальной программе (рис. 1.15, а) с имитацией центробежных сил [43]. В период выхода на стацио нарный режим в диске наводились высокие перепады температур (до 600° С). Опытные данные (рис. 1.15, б) свидетельствуют о том, что процессы накопления за цикл односторонних деформаций (для режима при Ттах=750°С) быстро стабилизируются. Характер из менения пластических деформаций и деформаций ползучести по циклам один и тот же. Значения накопленных за цикл деформаций (пластической и ползучести) сопоставимы, а суммарная их величи на оказывается значительной с точки зрения накопления квазистатических повреждений. Циклический характер процесса деформи рования реализуется по всему объему диска (рис. 1.15, в). Приме чательно, что пластические зоны деформирования появляются на ободе и в зоне расточки диска; они занимают большие объемы и не меняются при циклическом деформировании, при этом пласти ческие деформации могут составлять около 1% [44]. Следователь но, наиболее подвержены повреждениям крайние точки обода и ступица диска [22, 100].
Максимальная температура термического цикла существенно влияет на характер необратимых деформационных процессов. Рас чет термоциклических деформаций в диске при 7=70...800° С [9, 43] выявил существенную нестационарность процесса накопле ния (рис. 1.15, г и д) односторонних деформаций в цикле деформи рования (в отличие от предыдущего примера). К десятому циклу суммарная накопленная деформация достигает 3%, что и определя ет большие квазистатические повреждения и соответствующий ха рактер разрушения конструктивного элемента [44].
Таким образом, для прогнозирования термоциклической проч ности элементов конструкций необходимо обстоятельное исследова ние реальной термомеханической нагруженное™ и получение кор ректной информации о предельном состоянии материала по кри териям усталостного и квазистатического малоциклового разруше ния с учетом параметров действительного цикла упругопластического деформирования в максимально напряженных зонах кон струкции.
29
Наряду с рассмотренным влиянием формы и длительности цик лов нагружения и нагрева на термомеханическое напряженное со- •стояние элементов машин и агрегатов влияют конструктивные фак-
Рис. 1.15. Кинетика напряжен но-деформированного состоя ния турбинных дисков в зави симости от режима термомехаческого нагружения [9, 43, 44,
63, 80]:
еа — режим термомеханического нагружения: 70 ... 750° С, |
сплав |
ХН70ВМТЮ; /, |
2г |
5 — изме |
||||
нение температуры |
соответственно на |
радиусах R —225, |
150 и 35 мм; 4 — частота |
вращения; |
||||
-6 — накопление за |
цикл пластической |
деформации {/) |
и деформации |
ползучести |
(2) из |
|||
ободе; в — эпюра остаточных радиальных перемещений |
в диске |
{эксперимент) |
144]; |
г — на |
||||
копление максимальных интенсивностей пластических деформаций (ер^), |
деформации пол |
|||||||
зучести eci и их составляющих соответственно (расчет) |
при термоциклических |
испытаниях |
.диска по режиму, представленному на рис. 1.18, б; д — скорость накопления деформаций н наиболее опасной точке иаза замкового соединении
торы [75]. Исследования термонапряженных состояний лопаток при различных термических циклах показали [101], что абсолютное значение и перепады температур, а-также термические напряжения определяются жесткостью режима теплового нагружения и гео метрическими параметрами объекта исследования (рис. 1.16).
.30