книги / Разрушение при малоцикловом нагружении

Как при выборе материала при конструировании, так и при разработке самих материалов следует стремиться к увеличению их энергоемкости, хотя материалы с большим пределом теку­ чести, как правило* имеют пониженное значение пластичности..

Примечательно, что при иагружепии на стадии распростра­ нения трещипы сопротивления материала их развитию также

При циклическом нагружении, как показапо в гл. IV, реали­ зация (исчерпание) эпергоемкости материала также осуществля­

ется в каждом цикле в виде Ор^бМ (где Ср0 и 6(,f) — соответствен­ но предел пропорциональности и ширина петли гистерезиса в /с-м цикле) [65]. В случае деформационно стареющих материалов с увеличением числа циклов (времспи) пагружепия наблюдается рост предела пропорциональности (текучести), и тогда в уравне­ ния (4.52) и (4.53) следует вводить поправку па измепепие струк­

турного состояния материала [66] в виде сомножителя ар/с^ (где ОрТ— предел пропорциональности в пулевом полуцнкле).

Следовательно, при вдлборе материала для работы в условиях малоциклового нагружения следует принимать во внимание пе только уровень и с х о д н о й пластичности, но и уровень предела текучести (исходный и циклический).

Циклический предел пропорциональности (текучести) в пер­ вом цикле изменяется в зависимости от уровня пластической де­ формации (см. гл. 4) и определяется эффектом Баушпнгера [66]. Последпий может быть определен с достаточной для практики точностью в соответствии с зависимостями (4.19) или (4.24).

Для ряда конструкционных материалов при степенях исход­

эффект Баушипгера в первом цикле имеет отрицательное значе­ ние, но начиная со 2—3-го цикла действует циклический эффект Баушипгера [58].

Характеристики циклического деформирования находятся так­ же в прямой связи с изменениями микротвердости материала.

Проведенные исследования показали, что изменение микротвердости, так же как и ширина петли гистерезиса, в процессе циклического пагружепия определяется величиной нагрузки (деформации) и исходпым структурпым состоянием материала. Для стали ТС в состоянии поставки (нормализация) первые цик­ лы пагружепия характеризуются упрочнением материала (кри­ вая 1 па рис. 5.29). При этом степень упрочнения зависит от

211

Ряс. 5.29. Изменение микротвердости стали ТС при мягком иагружеиии j —а = 1,4; Np = 164 циклов; Яд = 2120 МПа; 2 — о = 1,15; Np = 920; Яд =■•2150:

3 — 0 = 1,05; Np = 2032; Яд = 2220; 4 — о = 1,26; Np = 50; Яд = 1500, отжиг; 5 —

О = 2,7; Np = 60; Яд = 1530, отжиг + 5% деформации +270° С, 1 ч

величины циклической деформации, это справедливо как для мягкого, так и для жесткого нагружения. Сопоставление кри­ вых 1—3 (рис. 5.29) показывает, что малые деформации вызыва­

ют меньшее упрочнение материала одного и того же структурного состояния. При данных амплитудах деформаций степень упрочне­ ния в первые циклы нагружения (для стали ТС ото составляет около 10 первых циклов) определяется исходным состоянием материала. Отожженный образец стали ТС упрочняется значи­ тельно сильнее (кривая 4), чем образцы из стали в нормализо­ ванном состоянии (кривые 1, 2 и 3). Причем.действующее напря­

жение для отожженпого образца было пиже (340 МПа), чем для

212

нормализовапных (о = 1,14; 1,35; 1,15 соответственно). При

этом процесс упрочнения длится большее количество циклов (кривая 4), чем для материала в нормализованном состоянии (кривая 1,2). Если исходная пластичность материала невелика,

то уже после первого цикла нагружения при малых уровнях напряжений может начаться разупрочнение материала.

Кривая 4 на рис. 5.29, а получена при испытании отожжеп-

пого, а затем деформированного растяжением на 7,5% образца. Уже первые циклы нагружения при напряжении а = 1,32 выз­ вали разупрочнение материала (уменьшение мнкротвердости и расширение петли гистерезиса), и даже после первого цикла пагружения не наблюдалось упрочнения.

Статическое растяжение па 5% с последующим старением образца при температуре 270° С в течение 1 ч также обусловлено непрерывное циклическое разупрочнение материала без упрочне­ ния в первых_циклах нагружения (кривая 5 на рис. 5.29, а) при напряжении о = 2,7.

Второй участок кривой, имеющей начальное упрочпепне, характеризуется интенсивным разупрочнением материала с после­ дующей стабилизацией микротвердости (рис. 5.29, а). Деформа­

ция в этом случае сопровождается образованием грубых полос скольжения в отдельных зерпах. С пачалом разупрочнения, оп­ ределяемого уменьшением микротвердости, наблюдается увели­ чение ширины петли гистерезиса и начинается одностороннее накопление деформации. На первом участке, когда имеет место упрочнение, происходит сужение петли гистерезиса. Причем чем выше действующее напряжение, тем интенсивнее сужение петли при упрочнении и расширение ее или накопление деформа­ ций при разупрочнении.

Измерения в зоне трещины показывают, что микротвердость в ней ниже, чем средняя микротвердость. При квазистатическом типе разрушения не наблюдалось образования микротрещип вплоть до разрушения — накопление повреждении (уменьшение сечепия за счет сужения опережало пакоплеппс повреждении ва счет трещин). Смешапиому типу свойственно как образование шейки, так и возникновение микротрещип па второй стадии на­ гружения, характеризующейся падением и дальнейшей стабили­ зацией микротвердости.

Описанные выше закономерности измепения мнкротвердости справедливы и для числа циклов разрушения более 103. Однако мепыпис действующие папряжеиня вносят ряд особенностей в даппый процесс. В частпости, при большой нсходпой пластич­ ности (кривая 1, рис. 5.30, а) отожженного образца стали ТС

напряжение а = 1,69 в условиях жесткого нагружения обеспе­ чивает стабильную микротвердость в течение 90% от общей долго­ вечности образца. Упрочненио при этом наблюдалось лишь в те­ чение первых 10—12 циклов. Дальнейшее разупрочнение, повидимому, компенсировалось возникающим упрочнением. Разу­ прочнение наблюдалось только в последние циклыТпагруження.

213

Рнс. 5.30. Изменение мнкротвсрдостн для стали ТС п залиснмостн от структурного сос­ тояния

нормализации; 4 — а3 = 484, Np =

Особенно иытепсивпым опобыло в зоне макротрещи­ ны.

При уменьшении на­ пряжений эффект упрочнепия снижается и проис­ ходит медленное сниже­ ние микротвердости с по­ следующей ее стабилиза­ цией (кривая 2 на рис. 5.30, а). При этом, по­

скольку в зоне развития макротрещины действовали большиепапряженпя и образец обладал еще значительной пластичностью- (образец был отожжен), микротвердость в зоне развития макро­ трещины оказалась выше средней.

Испытание образцов в нормализованном состоянии (кривые S и 4) при напряжениях а = 1 и 1,05 сопровождалось разупрочпе-

ннем материала и микротвердость снижалась уже после первогоцикла нагружения.

Следует заметить, что при малых напряжениях петля изме­ няется интенсивнее по сравнению с исходной петлей (петлей пер­ вого цикла), чемпри больших напряжениях (рис. 5.29, би5.30, б).

Сталь 22к относится к типу стабилизирующихся материалов. После упрочнения в первых циклах нагружения в дальнейшем петля остается почти неизменной вплоть до разрушения образца (рис. 5.31). При этом происходит одностороннее накопление де­ формаций (рис. 5.31, б).

Измерение микротвердости данной марки стали показало, что в течение нескольких первых циклов нагружения паблюдается увеличение микротвердости, и, так же как и для стали ТС, боль­ шим напряжениям соответствуют большие степени упрочнения. Причем чем больше действующее напряжение при мягком нагру­ жении, тем большую долю разрушающего числа циклов проте-

214

Рис. 5.31. Измсиспис мнкротвердостн стали 22к при мягком вагружешш

кает процесс упрочнепия. После падения мпкротвердостн проис­ ходит ее стабилизация при некотором дальнейшем сппженнн вплоть до разрушепия. В случае действия больших напряжепнй микротвердость может оставаться выше исходной, как это паблгодалось па образце, испытанном при паприжепнп а = 1,66 (кри­ вая 4 на рис. 5.31, а).

Измерение изменений мнкротвердостн отдельных составляю­ щих структуры стали 22к под действием циклической нагрузки показывает, что при высоких уровнях напряжений ферритпыо зерпа упрочняются, а перлитпые разулрочняются. При малых

211*

Рпс. 5.32. Изменение микротвердости стали 22к при жест­ ком нагружешш

уровнях нагрузки и боль­ ших долговечностях разупрочияются как перлит­ ные, так и ферритные зер­ на. Существуют промежу­ точные уровни напряже­ ний, при которых незначи­ тельно упрочняются как ферритная, так и перлит­ ная составляющие струк­ туры.

В условиях жесткого нагружения сталь 22к при больших уровнях нагрузки, как правило, находится вплоть до разруше­ ния в упрочненном состоянии (кривые 1 и 2 на рис. 5.32, а). В то

время как для мягкого нагружения наблюдается либо падепие микротвердости по сравнению с исходным значением, либо не­ значительное повышение ее (кривые 2 и 1 на рис. 5.32, а соот­

ветственно).

Меньшие действующие деформации вызывают более интенсив­ ное разупрочнение стали 22к (кривая 3 на рис. 5.32), и микро-

твердость разрушенного образца оказывается ниже исходной. Таким образом, изменение мпкротвердости сталей ТС и 22к в зависимости от ширины петли или накопленной деформации

также показывает, что процесс упругопластического деформи­ рования не является монотонным, а протекает в три стадии (рис. 5.33). Первая из них характеризуется упрочнением мате­ риала с образованием полос скольжения и протекает в первые 10—15 циклов нагружения. Вторую стадию отличает интенсив­ ное разупрочнение материала, связанное либо с накоплением пластических деформаций и образованием грубых полос сколь­ жения, когда имеет место квазистатическое разрушение, либо циклических повреждений в виде микротрещин, когда разруше­ ние имеет усталостный характер. Ыа второй стадии нагружения идет накопление деформаций, а также статических и циклических повреждений. Третья стадия связана с развитием магистральной трещины и окончательным разрушением образца. При этом идет сильное накопление деформаций в случае мягкого нагружения или снижения нагрузки (при нагружении жестком) без сущест­ венного изменения микротвердости.

Изменения микротвердости показали также, что изменения микротвердости при циклическом нагружении могут быть исполь-

216

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗРУШЕНИЯ НА СТАДИИ РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН ПРИ СТАТИЧЕСКОМ, ЦИКЛИЧЕСКОМ

И ДЛИТЕЛЬНОМ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Одной из важных эадач механики деформирования и разрушения является расчетное и экспериментальное исследование законо­ мерностей развития трещин при высокотемпературном однократ­ ном и малоцикловом нагружении. Решение этой задачи становит­ ся все более необходимой по мере повышения рабочих параметров (нагрузок и температур) машин и конструкций, применяемых в энергомашиностроении (в том числе в реакторостроепии), в ле­ тательных аппаратах, в химическом и металлургическом обору­ довании. Рабочие температуры для несущих элементов указан­ ных машин и конструкций составляют 250—600° С и более, числа циклов нагружения 10—104 и более. При запасах статической прочности (по пределам текучести и длительной прочности) 1,5— 2 в зонах с теоретическими коэффициентами концентрации более 1,5—2 уже при первом нагружении возникают пластические деформации. Повышение температур и времени нагружения приводит к дополнительному увеличению пеупругих деформаций за счет статической и циклической ползучести, что, в свою оче­ редь, определяет более раннее образование и более интенсивное развитие трещин [110, 124].

При исследовании кипетикп трещин статического и малоцик­ лового высокотемпературного разрушепия используются, как показано в разд. 1.3, основные критерии и методы линейной и нелинейной механики однократного разрушения. К числу этих критериев относятся силовые (коэффициенты интенсивности напряжений Кс), деформационные (критическое раскрытие тре­ щин бс, размер пластической зоны гт) и энергетические (эпсргня продвижения трещины yk, Gc и Jc — интеграл).

Методы исследования процессов разрушения при циклическом нагружении с учетом местных и помипальпых упругопласти­ ческих деформаций при нормальной (комнатной) температуре подробно рассмотрены в работе [35].

Энергетические критерии (у, G, J) механики разрушения для

описания скорости роста трещин в упругой и пеупругой поста­ новке при статическом и циклическом нагружениях в условиях комнатных температур использованы в работе [111] и др.

218

^6.1. Методика исследования развития трещин при высокотемпературном статическом

ициклическом нагружении

Всоответствии с существующими зависимостями (см. табл. 1.2) по описанию скоростей распространения трещин при эксперимен­ тальных исследованиях их кинетики при циклическом нагружении по мере увеличения числа циклов N должны измеряться: длина трещины I, размах номинального напряжения Аап (для опреде­ ления AKj), размах номинальной упругопластической деформа­

ции Де„, размах перемещений берегов трещины Аб (раскрытие трещины), размер пластической зоны гт. Для измерений исноль-

.зуются различные динамометрические устройства (механические, гидравлические, упругие с датчиками сопротивления). Для из­ мерения Аеп применяются мехапическис, электромеханические,

оптические, фотоэлектронные, индуктивные и другие типы деформометров, рассмотреппых в работах [34, 35, 111]. Перемеще­ ния, как указапо в [34], также измеряются мехапичеекпми, оп­ тическими, электромеханическими, ипдуктивньши, емкостными устройствами, как правило, с малыми базами (от 0,5 до 2—3 мм). Размер пластической зоны гт может быть определен с помощью

интерферометров, фотоустройств с наклонным освещением, ме­ таллографических микроскопов. Для измерения длип трещин I наибольшее применение получили [35, 111] следующие методы:

оптические, электросопротивления, электропотенциалов, ультра­ звуковые, токовихревые, датчиков последовательного разрыва, кипосъемки и др.

При повышенных и высоких температурах параметры, вхо­ дящие в уравнения скоростей развития трещин, становятся за­ висящими от уровня температур, времени (частоты) и числа цик­ лов деформировапия, уровпя номинальных и местных деформа­ ций, асимметрии цикла и от длительных циклических свойств металла [111—115]. Эти факторы делают исследования законо­ мерностей развития трещин при высокотемпературном одпократном и малоцикловом пагружеппи существенно более сложными

вметодическом отношении, чем при комнатных температурах. При таких исследованиях в системах пагруження должна

быть обеспечена возможность проведения статического и цикли­ ческого деформировапия с варьируемыми скоростями и коэффи­ циентами асимметрии цикла, с обеспечением выдержек при за­ данных деформациях или напряжениях, с автоматическими из­ мерениями и регистрацией усилий и номинальных деформаций (см. гл. 2). Принципиальные схемы и основные характеристики испытательных установок указанного назначения (с програм­ мируемым и непрограммируемым электрогндравлическим при­ водом) содержатся также в работе [35].

Для измерепия длин трещин при высоких температурах в основном используются [111—115] оптические и ультразвуковые методы, метод эдектропотепцпалои и электросопротивления. Для

219

измерения местных упругопластических деформаций Детах в вер­ шине трещины, а также распределения этих деформаций в связи с определением коэффициентов интенсивности деформаций АК\

наиболее приемлемым оказывается метод прецизионных дели­ тельных сеток (29, 35]. Этот метод позволяет осуществлять из­ мерения на базах от 0,02 до 0,1 мм непосредственно у вершины трещины. Диапазон деформаций, измеряемых этим методом, лежит в пределах от 1—2 до 50—70%. При этом применяемые оптические п другие средства для измерения размеров деформи­ руемых сеток могут одновременно использоваться для измерения длины трещин I и раскрытия трещин 6Т.

Наибольшее применение для изучения развития трещин в широком диапазоне температур получили плоские образцы с на­ чальными трещинами при впецентренном растяжении [110, 124]. Однако образцы такого типа целесообразно использовать при сравнительно низких уровнях размахов коэффициентов интен­ сивностей напряжений, когда размеры пластических зол гт мспьше длины трещины I и при положительных значениях коэффи­

циентов асимметрии по напряжениям. При образовании в опас­ ном сечении развитых упругопластических деформаций и де­ формаций ползучести и при знакопеременном нагружении сле­ дует применять осевое нагружение образцов с регистрацией но­ минальных деформаций. При однократном и малоцикловом на­ гружениях в условиях комнатных температур используются [110] плоские образцы с симметричными центральными или бо­ ковыми трещинами. Прецизионные делительные сетки с малым шагом наносятся в зоне трещип па боковых полированных по­ верхностях образцов. При повышенных температурах в силу определенных трудностей с получением равномерного распре­ деления температур по ширине и длине рабочей части примене­ ние плоских образцов становится менее рациональным, чем ци­ линдрических трубчатых. Для обеспечения возможности изме­ рения местных деформаций и размеров пластических зон в вер­ шине трещины статические и малоцикловые испытания при вы­ соких температурах должны проводиться в соответствующих инертных газовых средах или в вакууме.

Ниже приводится описание методики экспериментального получения . перечисленных характеристик для определения ус­ ловий распространения трещин при статическом и малоцикловом нагружениях с изотермическим высокотемпературным нагревом (31, 111—114].

Схема упругопластического деформирования и разрушения при малоцикловом пагружении показана па рис. 6.1 [29, 35, 110]. Образец из упрочняющегося материала в исходном недогружен­ ном состоянии имеет начальную длину трещины 10 (рис. 6.1, а). При нагружении образца (рис. 6.1, 6) в исходном (нулевом) полуцикле (к = 0) с номинальными растягивающими напряжениями

оп = 0п\ соответствующими номинальным деформациям вп\

в вершине трещины возникает зона макропластических деформа-

220