книги / Структура и прочность конструкционных материалов

Рис. 2.69. Характер образования микротрещин в образцах без полосчатости

Зависимость от структурного состояния сопротивления циклическому упругопластическому деформированию мате­ риалов, определяющему особенности накопления квазистатических и усталостных повреждений и тем самым условия достижения предельного состояния по разрушению [34,35], вызывает необходимость предъявлять особые требования к технологии обработки конструкционных материалов изде­ лий, элементы которых в процессе эксплуатации работают за пределами упругости.

Приведенные данные показывают, что на основе пред­ ставлений) о микронеоднородности развития пластической деформации по рабочей базе образца, вызывающей нерав­ номерность накопления усталостных и квазистатических повреждений в локальных участках, может быть объяснено возникновение рассредоточенных микротрещин, развитие которых приводит к образованию магистральной трещины.

В зависимости от степени развитости деструктивной деформации, обусловленной раскрытием микротрещин и сме­ щением блоков относительно друг друга, находится изме­ нение характеристик сопротивления деформированию при малоцикловом нагружении.

Исследование рассредоточенного трещинообразования с учетом микронеоднородности пластической деформации для различных по циклическим свойствам материалов (упрочняющихся, разупрочняющихся и циклически стабиль­ ных) может позволить, с одной стороны, более полно установить зависимость характеристик деформирования от степени поврежденности материала (растрескивания) и

определить условия возникновения и развития магистраль-' ной трещины, с другой - более обоснованно назначать

запасы прочности s зависимости от состояния материала. Кроме того, представления о неоднородности деформаций при малоцикловом нагружении могут быть использованы при анализе возможности продления ресурса работы конструк­ ций.

Таким образом, первая стадия процесса разрушения в условиях однородного напряженного состояния - стадия об­ разования трещины может быть описана как процесс раз­ витого рассредоточенного трещинообраэования, обуслов­ ленного структурной неоднородностью и связанной с ней неравномерностью развития деформаций (повреждений)

в локальных участках рабочей зоны образца путем исполь­ зования критерия (2.10) с учетом коэффициентов неодно­ родности деформаций, определяемых экспериментально на основе статистических параметров нормального закона распределения значений микротвердости исходной структу­ ры материала.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

3.1. Влияние условий нагружения на скорость развития трещины

Интенсивное развитие процессов ползучести, релакса­

противление развитию трещин.

При нагружении в условиях проявления температурно­ временных эффектов (ползучесть, релаксация, структурные изменения и др.), параметры, входящие в соответствующие уравнения для описания скорости развития трещин, оказы­ ваются зависимыми от температуры, времени нагружения, структурного состояния материала и его изменений во вре­ мени, а в связи с этим и сопротивление конструкционных материалов развитию трещин становится сильно зависимом от формы цикла и частоты нагружения.

Для исследования влияния форма цикла на скорость развития трещин при малоцикловом нагружении с частотой около 1 цикл/мин стали Х18Н10Т были проведены на труб­

и 30 гц. Испытания с различной формой цикла были прове­ дены при одних и тех же уровнях максимальных номинальных напряжений симметричного цикла: во всех случаях амплиту­ да номинального напряжения в нетто-сечении составляла о н=о0,а/1,5=230 Мпа. Для сравнения были проведены так­

же испытания без смены знака нагрузки (длительное стати-

ческое нагружение) при том же уровне номинального напря­ жения [36-39].

Как показали результаты эксперимента, наличие вы­ держки в полуцикле сжатия практически не влияет на число циклов до разрушения, и долговечности образцов для моногармонического цикла и цикла с временной выдержкой в полуцикле сжатия, а также цикла с двухсторонней выдерж­ кой и выдержкой в полуцикле растяжения оказались соот­ ветственно практически одинаковыми (рис. 3.1). Вместе

Рис. 3.1. Распространение трещины в связи

сформой цикла

стем время до разрушения при нагружении с выдержкой в полуцикле сжатия оказалось большим более, чем на поря­ док по сравнению с циклом без выдержек (частота нагру­ жения около 2 цикл/мин). Время до разрушения в случае двухсторонней выдержки было приблизительно в 5 раз боль­ ше по сравнению с нагружением без выдержек. Наложение нагрузки второй частоты во всех случаях оказывало за­ метное повреждающее действие и зависело от того, накла-

давается ли нагрузка второй частоты в полуцикле растя­ жения или в полуцикле сжатия, а также от соотношения частот* Долговечность образца при наложении нагрузки с частотой 10 цикл/мин при выдержке только в полуцикле

сжатия была приблизительно в два раза меньше, чем у об­ разца без выдержек, а время до разрушения было практи­ чески таким же, как у образца, испытанного на длитель­ ное статическое разрушение. Наложение с той же частотой в полуцикле растяжения снизило долговечность образца по сравнению с наложением в полуцикле сжатия приблизи­ тельно на полпорядка, а по сравнению с моногармониче-

ским нагружением на порядок (рис. 3.1). Особенно замет­ ное снижение долговечности было при двухчастотном на­ гружении с большим соотношением частот (1:1500). В этом случае даже наложение в полуцикле сжатия более, чем на порядок снижало долговечность образца по сравнению с одночастотным нагружением и время нагружения совпадало с временем одночастотного нагружения, а при двухсторон­ нем наложении в процессе выдержки долговечность падала более чем на два порядка.

Если сравнивать нагружение с выдержками с двухчастот­ ным нагружением, то видно (рис. 3.1) , что наложение на­ грузки с малым соотношением частот (1:50) не оказывает заметного повреждающего действия, и долговечности при соответствующих формах цикла оказываются близкими, но каждый раз несколько меньшими у образцов с наличием нагрузки второй частоты. При большом соотношении частот (1:15000) повреждающее действие второй частоты может быть значительным, и долговечности при двухчастотном нагружении в рассматриваемом случае приблизительно в 20 раз были ниже, чем у образцов с выдержками для сход­ ных форм цикла.

Сравнение с длительным статическим нагружением по­ казывает, что при одних и тех же уровнях номинальных напряжений смена знака основной нагрузки также сущест­ венно снижает сопротивление развитию трещин. Лишь у об­ разца, испытанного при нагружении с временной выдержкой в полуцикле сжатия, время до разрушения было приблизи­ тельно в 2 раза больше, чем у образца, испытанного при длительном статическом нагружении, и одинаковым по вре­ мени до разрушения для образца с выдержкой и наложением (с малым соотношением частот) в полуцикле сжатия (рис. 3.1) •

Влияние формы цикла проявляется прежде всего в из­ менении скорости развития трещин, и как видно из рис. 3.2, наличие выдержки в полуцикле сжатия мало влия­

ет на скорость развития трещин по числу циклов нагруже­ ния, а тем самым, как было показано выше (рис. 3.1), и

Д//ДN

10°

10"1

10" 2

10"3

Рис. 3.3. Влияние знака наложенной нагрузки на скорость распространения трещины для

стали Х18Н10Т, 650°С (он=234 МПа, ОцВ*=130 МПа.

т=5 мин)

Результаты эксперимента были обработаны также в со­ ответствии с известными зависимостями, использующими представления линейной и нелинейной механики разрушения.

Как следует из рис. 3.4 при высокотемпературном (650°С) малоцикловом и длительном статическом нагруже­ ниях стали Х18Н10Т для описания скорости развития тре­ щины во временном или поцикловом выражении в силу ма­ лости зон пластической деформации могут быть использова­ ны методы и критерии линейной механики разрушения, и в частности, известный критерий Париса, а также критерий нелинейной механики разрушения, использующий представ­ ления о коэффициенте интенсивности деформации.

Анализ полученных экспериментальных данных показы­ вает, что в зависимости от формы'цикла скорость разви­ тия трещин при малоцикловом нагружении для одного и то-

Таким образом, в условиях проявления температурно­ временных эффектов (ползучести, релаксации и т.д.) су­ щественное влияние оказывает длительность действия в цикле растягивающих напряжений. Повреждающее влияние сжимающих напряжений приблизительно на порядок меньше, чем растягивающих при их одинаковых абсолютных значе­ ниях. В связи с этим путем увеличения длительности вы­ держки в полуцикле сжатия скорости распространения тре­ щин во временном выражении могут быть получены сколь угодно малыми, в то время как в поцикловом они могут мало отличаться от скоростей, полученных при моногармоническом нагружении для одних и тех же скоростей актив­ ного деформирования. Поэтому при сравнительном анализе выражение скоростей в поцикловой трактовке может быть более представительным, чем во временной, хотя послед­ няя часто используется в практике расчетов.

3.2, Суммирование повреждений на стадии развития разрушения

где бт - раскрытие трещины в полуцикле растяжения и сжатия, соответственно, Д6Т - односторонне накапливающееся с ростом числа циклов нагружение раскрытие трещины, 6у - упругое раскрытие (закрытие) трещины в цикле, бс - пре­ дельное (критическое) раскрытие трещины при статическом нагружении, Np - число циклов до разрушения образца на стадии развития трещины.

В тех случаях, когда накопленное повреждение в вер­ шине трещины оценивается по максимальной деформации,

где еу и - упругая и общая деформация в вершине тре­ щины соответственно, ef - предельная деформация в вер­ шине трещины длиной, равной длине усталостной трещины на рассматриваемом этапе нагружения;, причем ef опреде­ ляется по пластичности гладкого образца с учетом сте­ сненности пластической деформации в вершине трещины, пр - разрушающее число циклов, приводящее к приращению трещины.