книги / Разрушение при малоцикловом нагружении

Рис. 5.5. Кинетика истинных деформаций и напряжения в полуцпкле^прп циклическом нагружении разупрочняющепся стали ТС

деформаций (непрерывно увеличивается шейка) с увеличением числа циклов увеличиваются (рис. 5.5, о). Для данных условий пагружения (<тп = 660 МПа) уже в 20-м полуцикле (к = 20)

истинные деформации увеличиваются примерно в 1.4 раза по срав­ нению с пулевым полуцнклом (/с = 0); при к = 4S и к = 76 опп

возрастают соответственно в 2,6 и в 8 раз, в то время как ширнпа петли изменяется за указанные полуциклы соответственно в 1,1; 2,4 и в 7 раз. При этом прирост пстнппых максимальных напря­ жений для данных полуциклов пагружеппя составлял: с 670 МПа (при к = 0) до 680 МПа (при к = 20), 708 МПа (при к = 4S) и

171

820 МПа (прп к = 76), т. е. максимальное увеличение напряжения

составляло около 21,5% (или 23% по отношению к условному на­ пряжению, используемому для построения кривой усталости и в расчетах).

к.При жестком нагружепии для разупрочпяющейся стали ТС характерно повышение истинных напряжений в нескольких пер­

жение всегда заканчивается разрушением усталостного типа, т. е., как правило, без образования шейки, а с возникновением на определенной стадии нагружения и развитием трещины усталости. Поэтому приведенные кривые изменения напряжений жесткого нагруженпя для всех материалов относятся к моменту до образо­ вания трещины.

В этом случае для жесткого нагружения стали ТС наблюда­ лось максимальное изменение (уменьшение) истинных напряжений от 2-го до 400-го полуциклов (около половины долговечности, Np = 360 циклов) на 22%, т. е. изменения напряжений при жест­

ком нагружении до образования трещины соизмеримы с измене­ ниями истинных напряжений при мягком нагружении в интервале квазистатического типа разрушения.

Для упрочняющегося алюминиевого сплава АД-33 характерно непрерывное уменьшение накопленной деформации и ширины петли с ростом числа циклов мягкого нагружения (рис. 5.6, а).

Образец, долговечность которого составила 30 циклов, имел увеличение истинных напряжений от нулевого до 44-го полуцикла всего лишь на 7,6% (с 340 до 360 МПа). При этом ширина петли в указанном полуцикле уменьшилась в 5,9, а истинная деформа­ ция — в 5,6 раза. Столь малая разница по сравнению с разупрочняющимися материалами объясняется прежде всего тем, что ма­ териалы типа АД-33 обладают малым запасом пластичности и их разрушение даже при малых долговечностях, как правило, имеет усталостный характер. Образующаяся при данных условиях испы­ тания шейка невелика и определяет лишь незначительные увели­ чения истинных напряжений по сравнению с условными.

При жестком нагружении упрочняющиеся материалы с малой исходной пластичностью показывают также незначительные уве­ личения истинных напряжений (рис. 5.6, б).

Сталь Х18Н9Т относится к числу стабилизирующихся мате­ риалов. Подсчет истинных напряжений при разрушении в квазистатпческой области показывает, что циклическое пагружепие сопровождается интенсивным уменьшением истинной деформации за цикл при поддержании постоянства амплитудных значений нагрузки. Так, для образца, долговечность которого равнялась 217 циклам, максимальная истинная деформация за цикл умень­ шилась в 5,8 раза при к = 18 и в 14,7 раза при к = 278 (примерно

половина долговечности). Истинное напряжение при этом увели­ чилось соответственно на 14,5 и 29% (или на 37,5 и 54,5% по от­ ношению к условному напряжению). Если судить по истинным

172

Рис. 5.6. Характер изменения истинных напряжении и деформации в полуцикле упрочняющегося алюминиевого сплава АД-33

<х — мягкое нагружение: 1 — к = 0, г — к = 2, з — к = 3 , 4 —к = 44; б — жесткое на­ гружение: I — к = 0, г — к = 2 , 3 — к = 58

деформациям, то сталь Х18Н9Т обладает признаками упрочняю­ щегося материала: при мягком нагружении наблюдается с ростом числа циклов нагружения уменьшение пстиппых деформаций п увеличение истппных напряжений за цикл.

Прп жестком нагружепин сталь Х18Н9Т также нитенсивно упрочпяется. Во втором цикле (при к = 2) наблюдалось увеличе­ ние напряжения по сравнению с первым (к = 0) на 52% (долго­ вечность образца Np = 36 циклов). Для 25-го цикла (к = 48) это

173

момента образования трещины максимальное напряжение в цикле остается выше исходного (в пулевом полуцикле).

Следует отметить также, что для разрушения различных ма­ териалов в квазистатической области требуются различные исход­ ные деформации. Для упрочняющихся и стабилизирующихся ма­ териалов, в особенности с .малым отношением (аь — ОолУ^ъ*

требуются значительные пластические деформации в нулевом полуцикле, в то время как для разупрочняющихся материалов эти деформации имеют небольшую величину.

Таким образом, при нагружении в условиях однородного на­ пряженного состояния образцов истинные деформации и напря­ жения могут существенно отличаться от условных, и это обстоя­ тельство следует учитывать при определении напряженно-дефор­ мированных состояний в зонах концентрации напряжений, осно­ ванных па использовании данных о циклических характеристиках сплошных образцов.

5.3. Сопротивление малоцнкловому деформированию

празрушению в связи с формой цикла

идеформационным старепием материала

При высоких температурах существенным фактором, сопровож­ дающим процесс деформирования и оказывающим влияние на из­ менение механических свойств материала, а в связи с этим и па кинетику деформационных характеристик, является деформацион­ ное старение, интенсивность протекания которого зависит от уровня циклических деформаций и формы цикла нагружения [69-71, 102-103].

Как показали исследования, испытания проводились па образ­ цах трубчатой формы (рис. 2.1) с использованием оборудования, описанного в гл. 2 [31—33, 37—39], при одночастотном мягком нагружении (частота около 1 цикл/ мин, Т = 650° С) в течение

первых циклов материал (сталь Х18Н10Т) упрочняется и дефор­ мирование сопровождается уменьшением циклической пластиче­ ской деформации 6к (рис. 5.8, а), причем интенсивность упрочпе-

нпя зависит от уровня действующих напряжений. При этом стадия упрочнения при меньших амплитудах действующих напряжений (ав = 240 МПа) протекает более длительное время, чем при боль­ ших напряжениях. С увеличением уровня напряжений (о„ = = 300 -г- 340 МПа) стадия разупрочпепия (увеличение ширины петли гистерезиса) начинается сразу же после первых циклов на­ гружения. Характер накопления односторонней деформации в этих условиях практически сохраняется (рис. 5.8, б), увеличи­ ваясь с ростом амплитуд напряжений (оа = 28 кг/мм2) и сохра­ няясь на уровпе исходного значения (в первом цикле) с их умень­ шением.

Проведенные испытания при двухчастотпом нагружении (соот­ ношение частот 1 : 80 и 1 : 18000, оа2 = 60 и 30 МПа по режиму с наложением высокочастотных напряжепий на выдержки т =

176

Рис. 5.8. Изменение циклических деформационных характеристик стали Х18Н10Т при моногармопнческом нагружении

(рис. 5.9), что изменение деформационных характеристик при двух­ частотном пагружеппи принимает иной характер, чем при одно­ частотном. Так, величина циклической пластической дефор­ мации (рис. 5.9, а) при одинаковых амплитудах максимальных

напряжений существенно больше для дпухчастотного нагружения, чем для одночастотпого. Вместе с этим более нптененвпо протекает разупрочнение материала после первых циклов нагружения при всех нсследоваппых уровнях действующих напряжений. Активи­ зируется паряду с этим и одностороннее накопление деформации

177

формации 6а (рис. 5.9, в), то видно, что ее изменение подобпо

изменению циклической пластической деформации при одночастот­ ном нагружении. При этом на характер изменения полной ширины петли оказывает существенное влияние деформация циклической ползучести ех (рис. 5.9, г), величина которой зависит от уровня о0.

Как показали испытания с выдержками т = 5 мин на экстре­ мальных значениях нагрузки (рис. 5.10), кинетика деформацион­ ных характеристик подобна изменениям при двухчастотном на­ гружении.

Изменение деформационных характеристик материала в дан­ ных условиях испытаний, как будет показано пиже, является следствием проявления интенсивно протекающих процессов де­ формационного старения, которые еще более активизируются при наличии высокочастотной составляющей напряжений в течение временных выдержек (двухчастотный режим). В первую очередь эти процессы проявляются в выделении микродисперспых частиц, количество и размер которых зависят от условий, уровпя и време­ ни нагружения [103]. Большая плотность и мелкодисперсность частиц обусловливают повышение сопротивления деформированию

178

материала на определенной стадпи нагружения. Дальнейшая коа­ гуляция выпавших частиц и перераспределение их к границам зерен приводят к ослаблению последних, вызывая уменьшение пластичности материала и обусловливая хрупкий характер разру­ шения.

Как показали наблюдения [69, 102—104], структурпые изме­ нения стали Х18Н10Т при высокотемпературном нагружении сопровождаются выделением карбидов п перераспределением ле­ гирующих элемептов, количество и характер распределения кото­ рых зависят от вида и временп пагружеппя, поскольку последние влияют на развитие диффузионных процессов. Пластическая де­ формация, в особенности с изменением уровпя и знака пагрузкп, интенсифицирует диффузионные процессы и тем самым ускоряет выпадение хрупкой фазы, которая влияет на пластические свой­ ства материала и определяет характер его разрушения. Особен­ ность развития структурных пзменеппп определяет характер из­ менения циклических деформацпопных характеристик с числом цпклов (времепн) пагружеппя.

При моногармоппческом нагружении с амплитудой 340 МПа паблюдается дробление карбидов (рис. 5.11, б; 5.12, б и 5.13)

17?

в раствор. При этом сильно изменяется степень искажения кри­ сталлической решетки (рис. 5.11, а и 5.12, а): ширина линий

(311) п (220) на дифрактограммах увеличивается. Однако распре­ деление углерода при этой пагрузке остается вплоть до разруше­ ния сравнительно равномерным как по телу, так и по границам зерен. Снижение амплитуды напряжения до 280 МПа (и тем самым уменьшение времени нагружения) приводит к резкому возраста­ нию размера частиц (рис. 5.11, а и 5.12, а) и незначительному

уменьшению их числа. Причем углерод перераспределяется к границам зерен, тем самым охрупчивая их. Фрактографические исследования показывают, что при этом имеет место хрупкий из­ лом, в то время как при оа = 340 МПа излом был хрупко-вязким.

Дальнейшее понижение амплитуды напряжения до 260 МПа приводит к тому, что размер частиц уменьшается, но возрастает их количество (рис. 5.11, в и 5.12, в) за счет выпадения углерода

из раствора с образованием карбидов; полуширина рентгеповских линий (311) и (220) уменьшается (рис. 5.11, а и 5.12, а). При ам-

180