книги / Разрушение при малоцикловом нагружении

того, от величины еа. оказывается зависящим и период исходного

сивному протекапию в ней процессов деформационного старения и других температурпо-времеиных эффектов, существеппым об­ разом зависит от условий испытаний, к которым в первую оче­ редь относятся уровень циклических деформаций и форма цикла (частота) нагружения. Эти характеристики в значительной мер& Определяют интенсивность деформационного старения материала, а тем самым и характер изменения деформационных характерис­ тик, на оспове которых описываются процессы накопления по­ вреждений. Учет изменения механических свойств материала вследствие его структурпых изменений, а также особенностей развития деформаций в зависимости от формы цикла догружения позволяет, как показано в разд. 4.3, достаточно правильно опи­ сывать накопление повреждений и определять в соответствии с этим расчетное число циклов до разрушения.

В данпой работе предлагается эффект формы цикла учитывать посредством введения в уравнения кривой жесткого нагружения частотной характеристики в соответствии с предложениями Эккеля [105] и уравнения Коффина [8] и Мэнсона [10, 106] нптерпретировать во врсмепиой трактовке соответственно как

Ранее было показано (см. разд. 4.2 н 4.3), что условия нагру­ жения (форма цикла, частота, температура) влияют на цикли­ ческие и статические деформационные свойства материалов, а правило суммирования всегда остается одним н тем же: в случаеотсутствия значительных структурных нзмепений накопленное повреждение (или долговечность) может быть оценено по зави­ симости (4.52) и (4.53), а при интенсивном протекании структурлых изменений (деформационное старение, рекристаллизация, фазовые и аллотропические превращения и т. д.) в зависимости (4.52), (4.53) должны быть введены поправки в виде сомпожнтеля

ар/орТ (см. зависимости (4.25) и (4.26)).

По аналогии с уравнениями (5.8) п (5.9) зависимости (4.52) н (4.53) могут быть во временной трактовке с учетом эффекта час­ тоты и структурных изменений представлены в виде

(5.10)

10t

ОР

где тр — время до разрушения, определяемое как тр = ЛГр/v; к — коэффициент, учитывающий эквивалентную длительность не­

прерывного действия максимального напряжения в циклах нагружепия.

ЪА. Структурные параметры малоцнклового

и длительного статического разрушения

Как было показано ранее (см. гл. 4), для материалов деформа- ционно-стареющпх или условий нагружения, когда иптепсивно развиваются процессы деформационного старения, учет струк­ турных изменений в зависимостях типа (4.52) п (4.53) предлага­ ется путем введения поправки, отражающей относительное из­ менение предела пропорциональности (текучести) при длитель­ ном циклическом нагружении [66, 77]:

лг_

(5.10а)

ОР

_

сматриваемом цикле и в нулевом полуцикле (или при однократ­ ном статическом растяжении).

Для оценки разрушающего числа циклов при жестком пагру- ■жении предложена также для длительного циклического разру­ шения модифицированная зависимость Лангера—Мэнсопа [29, 75]

где ёа— относительная величина амплитуды упругопластической деформации (деформация отнесена к деформации ет на предел пропорциональности, определенный в нулевом полуцикле); ге —

коэффициент асимметрии цикла деформаций; <тЬо — предел проч­ ности при кратковременном статическом разрушении; К-г — коэффициент, равный отношению предела выносливости о-х на базе Np = 10е циклов к пределу прочности оь; Е — модуль упру­ гости для данной температуры испытания; те — показатель сте­

пени, зависящий от свойств стали и в большинстве случаев при-

192

Видно, что как в уравнениях (5.10а) и (5.11а), так и в] зависимостях (5.13) и (5.15) учет изменения структурного состояния предлагается осуществлять посредством введения параметров, характеризующих изменение предела текучести материала при длительном нагружении.

Как отмечалось выше (см. раздел 5.3), структурные измене­ ния, вызванные деформационным старением, приводят к изме­ нению механических и пластических свойств материала, и в част­ ности такой структурно чувствительной характеристики, каковой является предел пропорциональности (текучести) [70). Причем интенсивность изменения зависит от вида нагружения и формы цикла.

Экспериментально определенные по диаграммам деформиро­ вания при мягком нагружении относительные велпчипы цикли­ ческого предела упругости сг0,о5 с допуском па пластическую

деформированию, равным 0,05%, а также циклического предела текучести <т0,2 с допуском в 0,2% приведены на рис. 5.26, а. Видно, что значения отношений как а0,о5 (темные точки), так н ио,2 (светлые точки) к соответствующим характеристикам исход­

ного нагружения для различных уровней напряжений при т,- следоваппых формах циклов образуют некоторую совокупность,

причем верхняя ее граница соответствует значениям Co.os/^oios

н с0л/а^ 2 для больших, а нижняя — для меньших уровней

максимальных напряжений. При этом величины соответствую­

щих отношений, ao.os/cro^ л Ло.г/ло^! отличаются не более чем на 4—5%, что позволяет учитывать изменение свойств материала

и через сравнительно легко определяемую величину Оо.о/^ол* Из рис. 5.16 также следует, что величины циклических пределов упругости и текучести для данной стали при Т = 650° С по аб­

солютной величине увеличиваются в процессе циклического упругопластпческого деформирования в среднем на 40—60%, и при этом наибольшее их увеличение имеет место в условпях одпочастотного нагружения, а наименьшее — двухчастотпого. Отме­ ченные закономерности соответствуют и характеру измепения ширины петли гистерезиса при соответствующих формах цикла и уровнях нагружения (рис. 5.13—5.15).

Известно также, что и для кристаллической решетки, содер­ жащей равномерно распределенные частицы второй фазы, предел текучести материала определяется папряжепием, необходимым

структуры с частицами второй фазы размером 100—1000 А близка к 0,3.

194

Принимая ат = ffo.a с учетом (5.21), зависимости (5.16—5.18)

могут быть записали через структурные характеристики в виде

На основе проведенных структурпых исследований (см. 5.3) были получены основпые закономерности изменения размера п плотности частиц в зависимости от времени (числа циклов) на­ гружения и формы цикла, представленные на рпс. 5.12 (102, 103]. При проверке зависимости (5.15) для случая малоциклового нагружения сопоставление рассчитаппых данных осуществлялось с экспериментально определенными пределами пропорциональ­ ности (Оо.оэ) и текучести (оо.г)* а также с результатами, рассчи­ танными по зависимости (5.19). Получениые значения стт по струк­ турным характеристикам (в виде dll) использовались затем для расчета структурных параметров А , и >па кривых разрушений,

описываемых уравнениями (5.22—5.24). Причем в этом случае величина i|\. для заданного ресурса пагружеиня определялась по зависимости (5.14), а аь принималась равной амплптудо на­

пряжения, характеризующей максимальное разрушающее напря­ жение (по аналогии с заданными напряжениями при длительном статическом нагружении); урк0 — пластичность материала, которая

определялась при кратковременном однократной! разрушении. При этом т0 принималось равным 0,05 ч, как это рекомендуется в работе, а также ранным 0,25 ч, равное фактически затрачнвае-

7* 195

мому времени при однократном разрушении образцов в рассмат­ риваемой серии опытов.

Как видно из рис. 5.17, характеристика карбидообразованин для всех случаев нагружения изменяется по экспоненциальной зависимости. Чтобы получить соответствующие значения dll и

196

по ним произвести приближенную оценку структурпых пара­ метров и предела текучести материала при длительных сроках службы, а также сопоставить их с характеристиками, определяе­ мыми по эмпирическим зависимостям (5.19)—(5.20), кривые на рис. 5.17, а были проэкстраполированы на времена 103—105 ч.

При этом предполагалась иензмеппость закона изменения отно­ шения dll во времепи. Лилейная зависимость dll наблюдалась

не только от времени пагруження (фактического и эквивалентного), но и от амплитуды напряжения (рис. 5.17, б) и разрушающего

числа циклов. Причем во всех случаях самое слабое изменение во времени и по напряжениям параметра dll имело место при

одночастотном симметричном и при длительном статическом на­ гружениях. При двухчастотном и программном (с выдержками) нагружениях изменение dll было практически одинаковым н су­

щественно более интенсивным, чем при моногармоннческом и длительном статическом нагружениях (рис. 5.17). Для послед­ них случаев нагружения изменение параметров dfl было прак­ тически одинаковым в зависимости от напряжения (рис. 5.17, б).

Расчет о* по зависимости (5.21) показал, что получаемые при этом значения стт хорошо согласуются (рис. 5.18, кривые 3, 5, 7, 9) с экспериментально определенными средними значениями циклического предела пропорциональности сг0,05 (с допуском па пластическую деформацию 0,05%) при К , равном 0,3, как и в

исходной зависимости (5.21). Данные расчета стт по уравнению (5.21) хорошо согласуются со значениями а0,2, определенными по зависимости (5.19), если в уравнении (5.21) К принимается

равным 0,2, а время статического разрушения — 0,05 ч. Если взять в расчет фактическое для данного эксперимента время одно-

197

кратного разрушения т0 = 0,025 ч, то соответствующая кривая располагается между расчетной кривой и определенной экспери­ ментально для сг0,2- Хорошее согласование экспериментальных н рассчитанных по зависимостям (5.19) и (5.21) данных наблюда­ лось для всех случаев нагружения (рис. 5.18).

Как видно из рис. 5.18, а, пределы текучести уменьшаются с увеличением времени нагружения, причем наиболее интенсив­ ным это уменьшение проявляется для случаев двухчастотного и программного (с выдержками) нагружений (кривые 4, 7 па рис. 5.18, а). Интенсивность уменьшения пределов текучести для

моногармонического и циклического нагружений практически одинакова (кривые 1—3, 8, 9 на рис. 5.18, а).

Однако, хотя ат со временем и уменьшается, в связи с тем, что аь, подсчитанное по зависимости (5.13), уменьшается более интенсивно (рис. 5.18), чем <тт, то отпогаепие ст1аь со временем

198

непрерывно возрастает, причем наиболее интенсивно для случаев одпочастотного и длительного статического нагружений. Попе­ речное сужение (как равномерное, так и при окончательном раз­ рушении) непрерывно снижается с ростом времени нагружения (рис. 5.19, а, б). Из рис. 5.19 следует также, что результаты оп­ ределения % по структурной характеристике dll (уравнение

(5.23)) как при т = 0,25, так и при т„ = 0,05 ч хорошо совпадают с данными расчета по зависимости (5.19), если в последней при­ нимается также соответственно т0 = 0,25 и т0 = 0,05 ч.

Если сравнивать характер убывания равномерного попереч­ ного сужения (рис. 5.19, а) и сужения при окончательном раз­

рушении (рис. 5.19, б), то видно, что интенсивность убывания со временем предельного равномерного сужения ниже, чем остаточпой пластичпости %, в особенности при малых ресурсах (до 103 ч). При долговечностях более 10а ч падение остаточной плас­ тичпости % замедляется с увеличением времени нагружения. Причем так же, как и для других характеристик (сь, о0,2), интен­

сивность изменения пластичностей %. и выше при нагружении с выдержками на экстремальных уровнях нагрузки (как с нало­ жением нагрузки второй частоты, так и при отсутствии послед­ ней). Для структурных параметров гпо,. и A 0t2 относительный

характер их изменения со временем сохраняется: временные вы­ держки в большей мере интенсифицируют структурные изменения по сравнению с одночастотным и длительным статическим нагру­ жениями. Определенно этих структурных параметров по струк­ турной характеристике dll хорошо согласуется с данными рас­

чета по зависимостям (5.16)—(5.19). При этом следует отметить, что для А при больших долговечностях имеет место более сильно

выражеппая зависимость от времени. Однако надо иметь в виду, что принятый здесь метод экстраполяции d/l па времена до 1G5 ч

основан лишь па том, что зависимости (5.16)—(5.19) также предполагают монотоиное изменение характеристик во времени, определяемых по механическим свойствам материала а0.2 п &ь-

Проведснпые исследования материала в зонах разрушения после длительного статического нагружения (40 тыс. и 100 тыс. ч) показывают, что при указанных длительностях нагружения пре­ делы текучести, подсчитанные по структурному параметру dll

в соответствии с зависимостью (5.19), существенно отклоняются от кривой линейной экстраполяции (пунктир на рис. 5.20) и на кривой изменения ат наблюдается перелом при времени нагру­ жения около 103 ч. Эго обстоятельство свидетельствует о том, что при работе материала в интервале температур интенсивного деформационного старения линейная экстраполяция прочност­ ных и пластических свойств может дать существенную погреш­ ность. Вместе с тем видно, что при экстраполяции свойств мате­ риала на длительные времена могут быть использованы струк­ турные параметры, формирующие прочиостпыо и пластичные свойства материала, а в тех случаях, когда известен определяю­ щий параметр (например, как в рассмотренном случае), он может

199

Рис. 5.20. Изменение пределов текучести, прочности и структурного пара­ метра dll стали Х18Н10Т при длительном статическом нагружении (Т =

= 650° С)

быть один использован для указанных целей. Для материалов другого класса и других условий нагружения, когда процесс деформационного старения не проявляется или проявляется слабо, наиболее представительными могут оказаться иные структурные характеристики (наличие второй фазы, напрпмер перлита в пер­ литных сталях, блочность структуры, дислокационная структура и пр.).

• Таким образом, при оценке долговечности в условиях проте­ кания интенсивного деформационного старения (что свойственно большому классу сталей при эксплуатационных температурах) и при разработке методов экстраполяции прочностных и пласти­ ческих свойств па длительные времена могут быть использованы структурные характеристики, изменение которых отражает фи­ зические процессы, протекающие в .материале иод действием на­ грузки.

5.5.Связь циклических и статических свойств конструкционных материалов

Для того чтобы судить о поведении материала при циклическом нагружении в условиях, моделирующих эксплуатационные, необ­ ходимо прежде всего знать, к какому типу относится выбранный материал.

Как показали исследования, тип материала (циклически уп­ рочняющийся, разулрочняющийся или стабилизирующийся) мо­ жет быть определен по кривой статического растяжения [351.

При циклическом нагружении об упрочнении, разупрочнении или стабилизации судят по характеру изменения либо петли гис­ терезиса (мягкое нагружение), либо действующего условного на* пряжения (жесткое нагружение). Изменение ширины петли за­ висит от соотношения поврежденпости и степени упрочнения ма­ териала (под поврежденностыо материала образца будем пони-

200