Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и постановка задачи исследования 16
1.1. Назначение и условия эксплуатации жаропрочных материалов 16
1.2. Ползучесть металлов. Основные теории ползучести и критерии разрушения 21
1.3. Исследования ползучести и длительной прочности при циклических нагружениях 29
1.4. Постановка задачи исследования 50
2. Феноменологическая теория циклической ползучести . 59
2.1. Исходные соотношения и основные гипотезы 59
2.2. Условия интенсивного развития циклической ползучести . 73
2.3. Основные определяющие уравнения теории 83
2.4. Методика расчета коэффициентов 94
2.5. Решение важных частных случаев циклической ползучести . 102
3. Модели долговечности и предельного состояния
3.1. Исходные соотношения ИЗ
3.2. Разрушение от циклической ползучести 119
3.3. Усталостное разрушение 124
3.4. Модели смешанного разрушения 127
3.5. Предельное состояние по деформациям . 136
4. Экспериментальное исследование циклической ползучесэд и длительной циклической прочности 144
4.1. Общая характеристика жаропрочных сталей и сплавов как класса материалов . 144
4.2. Методика экспериментального исследования 151
4.3. Объект исследования, планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных 162
4.4. Особенности развития ползучести и разрушения при многоцикловом нагружении 167
4.5. Эффекты ползучести при циклических нагружениях 179
4.6. Циклическая ползучесть в условиях повторного нагружения и разгрузки 183
5. Основные закономерности сопротивления жаропрочных материалов циклической ползучести и разрушению 188
5.1. Влияние времени, температуры и напряжений на параметры циклической ползучести 188
5.2. Подобие кривых циклической ползучести 198
5.3. Долговечность и длительная циклическая прочность 211
5.4. Реализация пластичности при многоцикловом нагружении 219
5.5. Фрактография разрушения в условиях взаимодействия ползучести и усталости 227
6. Обобщение термоактйвационной теории на условия многоциклового нагружения 233
6.1. Термически активируемые процессы в твердых телах 233
6.2. Температурная зависимость долговечности при циклическом нагружении 241
6.3. Энергия активации ползучести и усталости 248
6.4. Механизмы и взаимосвязь процессов ползучести и усталости 258
6.5. Атермические и термически активируемые процессы
разрушения при циклических нагружениях 263
7. Расчетно-экспериментальный метод определения параметров ползучести и длительной прочности 273
7.1. Примеры экспериментального обоснования принятых гипотез 273
7.2. Характеристики сопротивления ползучести и параметры жаропрочности 277
7.3. Расчет и прогнозирование циклической ползучести при однократном и ступенчатом нагружении 286
7.4. Расчет и прогнозирование долговечности и предельного состояния 292
7.5. Расчет циклической ползучести и долговечности на основе статической ползучести 298
7.6. Некоторые рекомендации по направленному формированию жаропрочности 306
8. Обобщение и анализ полученных результатов 309
8.1. Краткая характеристика основных научных результатов . 309
8.2. Практическая значимость и возможные пути использования результатов 313
8.3. Направление дальнейших исследований 316
Список литературы
- Ползучесть металлов. Основные теории ползучести и критерии разрушения
- Условия интенсивного развития циклической ползучести
- Модели смешанного разрушения
- Объект исследования, планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных
Введение к работе
В проблеме прочности материалов и конструктивных элементов чрезвычайно большое значение имеет задача оценки несущей способности и долговечности в условиях воздействия циклических нагрузок. Без преувеличения можно сказать, что она относится к числу наиболее сложных и актуальных задач механики деформируемого твердого тела, поскольку при циклических нагружениях возникает ряд специфических явлений и трудно учитываемых аналитически факторов. Они в первую очередь связаны с развитием усталостной поврежденности, с необходимостью оценки циклической и структурной нестабильности материалов, с нарушением сплошности и наступлением катастрофических разрушений.
До середины 40-х годов текущего столетия решение задач прочности материалов и конструкций в условиях циклического нагружения в основном сводилось к оценке сопротивления усталости в той постановке, в которой она была сформулирована В.Велером в 1852 году. При этом рассматривались повторные и повторно-переменные нагрузки, не превышающие предела упругости материала, и условия, не вызывающие развития процесса ползучести.
В настоящее время проблема прочности при циклическом нагруже-нии рассматривается значительно шире. Это обусловлено развитием новых отраслей в современной технике и в первую очередь стационарного и транспортного энергомашиностроения. Стало известно, что в большинстве деталей энергомашин, работающих при высоких температурах, на различного рода статические нагрузки накладываются циклические, изменяющиеся в широком спектре частот и амплитуд. На неустановившихся режимах в этих деталях возникает также неравномерное температурное поле с большими градиентами, вызывающее значительные циклические температурные напряжения. При этом было установлено, что циклическое нагружение существенно снижает сопротивление ползучести во всем диапазоне частот, а воздействие нагрузок низкой частоты (десятые и сотые доли герца), равных и превышающих предел текучести материала, - сопротивление усталости. Стало очевидным, что такие традиционные характеристики прочности как предел выносливости, пределы статической ползучести и длительной статической прочности уже не могут считаться достаточными критериями надежной работоспособности.
В результате возникли новые направления в разделе высокотемпературной прочности - циклическая ползучесть и длительная циклическая прочность. Весьма важными в этих направлениях являются также вопросы структурной и поверхностной стабильности материалов, термоусталости и устойчивости конструкций. Эти обстоятельства привели к созданию новых методов и средств определения сопротивления конструкционных материалов деформированию и разрушению при циклическом нагружении, к разработке соответствующих теорий и физических моделей. Усилиями многих ученых уже достигнут значительный прогресс как в области теоретических трактовок и количественного описания явлений циклической ползучести и длительной циклической прочности, так и в области инженерных приложений теоретических результатов.
В Советском Союзе и за рубежом опубликован ряд обобщающих экспериментальных и теоретических работ, посвященных решению различных задач ползучести и длительной прочности материалов и элементов конструкций. Фундаментальные исследования и разработка общих законов ползучести принадлежит Ю.Н.Работнову и его школе. Общая теория тер-мовязкопластичности разработана А.А.Ильюшиным и развита его школой. Теория ползучести стареющих материалов развита Н.Х.Арутюняном. Теория ползучести горных пород разработана Ж.С.Ержановым.
Важные работы по развитию теорий вязкоупругости и ползучести при статическом нагружении принадлежат В.М.Александрову, И.И.Бугако-ву, Г.А.Ванину, В.В.Викторову, И.И.Гольденблату, А.М.Жукову, А.Ю.Иш-линскому, В.Г.Карнаухову, Л.М.Качанову, В.Д.Клюшникову, В.И.Ковпаку, Н.И.Малинину, Н.Н.Малинину, А.К.Малмейстеру, С.Т.Милейко, И.А.Один-гу, П.М.Огибалову, Б.Е.Победре, А.Р.Ржаницыну, М.И.Розовскому, В.И.Розенблюму, 0.В.Соснину, Ю.В.Суворовой, В.П.Тамужу, Г.А.Тетерсу, А.Г.Угодчикову, А.В.Христиановичу, А.А.Чижику, Г.С.Шапиро, С.А.Шестерикову, А.Надай, Ф.К.Одквисту, В.Прагеру, Н.Хоффу и другим. Ведущее место в исследовании ползучести и долговечности при малоцикловом нагружении занимают труды И.А.Биргера, Л.Б.Гецова, Д.А.Гох-фельда, А.П.Гусенкова, В.Н.Кисилевского, Ю.Г.Коротких, Н.А.Махутова, Н.С.Можаровского, В.В.Москвитина, В.С.Наместникова, Г.С.Писаренко, А.Н.Романова, С.В.Серенсена, В.А.Стрижало, В.Т.Трощенко, Ю.Н.Шевченко, Т.Е.Екобори, Л.Коффина, С.Мэнсона и других. Фундаментальные аспекты этих проблем (теории, модели, критерии) характеризуются сейчас обоснованностью и логической завершенностью.
Решение задач ползучести и долговечности в области многоциклового нагружения рассматривалось в работах В.В.Болотина, М.Э.Гарфа, В.С.Ивановой, А.А.Каминского, А.М.Локощенко, А.К.Малмейстера, Ю.Н.Работнова, С.В.Серенсена, В.Т.Трощенко, Г.П.Черепанова, С.А.Шестерикова, Дж.Видаля, Ф.Витовека, А.Дж.Кеннеди, Дж.Лазана, А.Надай и других. Однако эти исследования, особенно в плане формулировки модельных представлений, выполнены в значительно меньшем объеме, а имеющиеся в этой области работы носят фрагментарный характер. Это связано с тем, что в механике деформируемого твердого тела предполагалось, что наложение на статическую нагрузку высокочастотных колебаний не влияет на кинетику процесса ползучести. В связи с этим считалось, что уравнения состояния при наличии циклических нагрузок дают характеристики, мало отличающиеся от аналогичных параметров для процессов, протекающих без возмущений. В действительности для большинства конструкционных материалов наблюдается весьма существенное изменение (в направлении снижения) их характеристик сопротивленш ползучести при наличии высокочастотных переменных компонент. Так из -8 вестны исследования ползучести эластомеров (Г.Л.Слонимский,1956г.), бетона (А.К.Малмейстер, 1957 г.)» кристаллических полимеров (Г.И.Ба-ренблатт, Н.И.Малинин, С.А.Шестериков, 1965 г.)» в которых показано, что процесс циклической ползучести в этих материалах развивается значительно интенсивнее, чем при статической нагрузке даже в том случае, когда она равна максимальному значению переменной.
Особенно актуальна интенсификация ползучести высокочастотной циклической нагрузкой в металлических материалах, которая происходит как правило при высоких температурах, т.е. в условиях, наиболее характерных для эксплуатации многих ответственных деталей современных энергомашин. К их числу можно отнести рабочие лопатки и диски газовых турбин и компрессоров, фланцы, газовые трубопроводы, обшивку камер сгорания, крепежные изделия и другие детали, для которых режим высокотемпературного многоциклового нагружения является одним из основных. Показательно также, что в металлах при высоких температурах циклическая ползучесть развивается не только при малых значениях амплитуды циклической составляющей, но и при значениях, превышающих в отдельных случаях статическую нагрузку.
Следствием интенсификации процесса ползучести высокочастотной нагрузкой является, как правило, преждевременное нарушение конструктивной функции детали и выход ее со строя как в результате чрезмерно развившейся остаточной деформации, так и разрушения. В частности установлено, что характер излома рабочих лопаток газовых турбин не носит чисто статического или усталостного разрушения, а свидетельствует о разрушении из-за циклической ползучести.
Проблема циклической ползучести и долговечности при многоцикловом нагружении привлекла внимание исследователей примерно в тот же период, когда вообще возникла необходимость учета циклических нагрузок при оценке прочности, Однако начало фактического изучения этого явления относится к середине 40-х годов текущего столетия и связано с решением актуальных инженерных задач. Соответствующие задачи были поставлены прежде всего нуждами турбостроения, а впоследствии возникли в атомной энергетике, химическом машиностроении, авиации и ракетной технике.
Большинство известных исследований в области циклической ползучести носит экспериментальный характер, а первые из них связаны с изучением ползучести свинца, меди, алюминия и других чистых металлов. Так в работе Е.Бернхардта и Г.Ганеманна в 1938 г. и позднее в работах Дж.Гринвуда (1949 г.) и Дж.Кеннеди (1956 г.) было показано, что в свинце, находящемся под некоторой статической нагрузкой при комнатной температуре, при наложении пульсирующей нагрузки существенно повышается скорость ползучести (примерно в десять раз), причем разрушение от циклической ползучести наступает значительно раньше. Такое же повышение скорости ползучести наблюдается в углеродистых сталях, малолегированных сталях перлитного класса, алюминиевых сплавах и некоторых чистых металлах, исследованных в работах М.Хемпеля и Х.Тиллмана (1938 г.), Ф.Фоллея (1947 г.), М.Менджойна (1949 г.), К.Гварниери и Л.Ерковича (1952 г.), А.Джонсона и М.Фроста (1953 г.), С.Тайры, К.Танаки и Р.Котеразавы (1955 г.) и др. Следствием развития циклической ползучести является разрушение и таких хрупких материалов как стекло при комнатной температуре, исследованное в работах К.Гарни и С.Пирсона (1948 г.). Дальнейшее и более подробное экспериментальное исследование проблемы циклической ползучести связано с исследованием жаропрочных сталей и сплавов. Наиболее полно эти вопросы рассмотрены в работах Б.Лазана (1949 г.), В.Симмонса и Г.Кросса (1954 г.), Дж.Видаля (1956 г.), Ф.Витовека (1956 г.), С.В.Серенсена и Т.П.Захаровой (1967 г.).
Вопросам аналитической оценки параметров циклической ползучести при многоцикловом нагружении посвящено значительно меньше работ, в которых рассмотрены, главным образом, частные задачи. Здесь необхо -10 димо прежде всего отметить попытки установления непосредственной функциональной связи между деформациями статической и циклической ползучести (А.Надай, 1948 г. и Г.Тепселл, П.Форрест, Ж.Трайман, 1950 г.)» В дальнейшем широкое распространение получил подход, связанный с заменой процесса циклической ползучести эквивалентным ему процессом статической ползучести (Б.Лазан, 1949 г., Дж.Видаль, 1956 г., С.Тайра и Р.Котеразава, 1962 г., Ю.Н.Работнов, 1966 г.).
Однако в последнее время в центре внимания исследователей встали более общие вопросы ползучести, развивающейся в условиях совместного воздействия статических и циклических нагрузок (В.В.Болотин, А.А.Илыошин, В.В.Москвитин, В.В.Новожилов, Ю.Н.Работнов, С.А.Шестериков и др.). Наиболее принципиальное значение здесь имеют задачи, связанные с определением условий интенсивного развития циклической ползучести, с оценкой взаимодействия усталости и ползучести, а также с получением количественных соотношений между деформацией, скоростью циклической ползучести, температурой и напряжениями цикла. Значительный интерес представляют и задачи аналитической оценки предельного состояния материалов в условиях развитой циклической ползучести.
Настоящая работа является дальнейшим развитием этих новых тенденций и посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию циклической ползучести и длительной циклической прочности современных и перспективных жаропрочных сталей и сплавов, составляющих новый класс материалов и широко используемых при изготовлении деталей энергомашин. Рассмотрены также вопросы, связанные с оценкой и прогнозированием долговечности и предельного состояния при высокотемпературном многоцикловом нагружении, а также некоторые физические аспекты циклической ползучести и разрушения. Эти исследования предусмотрены координационным планом развития механики в СССР на 1981 -1990 гг. и входят составной частью в Песпубликанскую целевую комплексную научно-техническую программу РН.Ц.003 "Материалоемкость" и в комплексную научно-техническую проблему учреждений АН УССР с организациями МАП СССР "Разработка методов повышения надежности авиационных ИД".
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
В работе впервые на основе обобщенного уравнения состояния исходя из концепции оценки поврежденноети в процессе ползучести в терминах механики разрушения и принципа взаимодействия ползучести и усталости построена и экспериментально обоснована феноменологическая теория циклической ползучести и длительной циклической прочности. В рамках теории описаны эффекты интенсификации ползучести циклической нагрузкой и частотой, уменьшения долговечности и снижения пластичности.
Предложен и физически обоснован критерий интенсивного развития ползучести при циклических нагружениях. Показано, что критерий позволяет определять условия, при которых металлические материалы в режиме высокотемпературного многоциклового нагружения проявляют свойства вязко-упругих тел.
Разработана оригинальная (защищена авторскими свидетельствами) методика экспериментального исследования циклической ползучести и кинетики усталостного разрушения, получены и обобщены новые экспериментальные данные по ползучести и усталости жаропрочных материалов в интервале температур от 300 до 1400 °К при варьировании соотношения между компонентами напряжения цикла от 0 до °° .
Дано обобщение термоактивационной теории на область многоциклового нагружения и сформулированы условия развития термически активируемых процессов в металлических материалах.
Выявлены эффекты резкого ускорения и резкого замедления ползучести при воздействии циклических нагрузок и при варьировании частоты, эффект задержки ползучести и эффект скачкообразного изменения энергии активации разрушения.
Разработан и реализован на ЭВМ эффективный метод расчета деформаций ползучести, долговечности и предельного состояния конструкционных материалов для условий асимметричного многоциклового нагруже-ния, на основе которого решены следующие задачи:
- рассчитана и спрогнозирована деформация циклической ползучести при однократном и ступенчатом нагружениях;
- рассчитано предельное состояние по разрушению и по условию достижения заданной деформации для области усталостного разрушения, разрушения от ползучести и смешанного;
- рассчитана деформация циклической ползучести и долговечность на основе статической ползучести и на основе кривой мгновенного деформирования;
- оценена степень реализации запаса исходной пластичности при многоцикловом нагружении.
Достоверность основных научных результатов подтверждена обоснованностью исходных предпосылок и выбранных в работе основных гипотез; хорошим согласованием расчетных данных с результатами экспериментальных исследований автора и с данными других работ; общностью полученных определяющих соотношений, из которых как частные случаи могут быть получены некоторые известные решения.
На защиту в диссертационной работе выносятся следующие основные научные положения:
- обобщение кинетических уравнений ползучести, термоактивацион-ной концепции прочности и принципа взаимодействия ползучести и усталости на область высокотемпературного многоциклового нагружения;
- критерий Акр, определяющий условия вязко-упругого поведения металлических материалов при высокотемпературном многоцикловом нагружении и области с преимущественным разрушением от ползучести и с преимущественно усталостным разрушением;
- подход к построению теории циклической ползучести и длитель -13 ной циклической прочности, основанный на концепции ведущей роли усталостной поврежденности в интенсификации процесса ползучести циклической нагрузкой и оценке поврежденности при ползучести в терминах механики разрушения (концепция J-интеграла);
- метод решения задач расчета и прогнозирования долговечности и предельного состояния материалов при циклическом нагружении на основе определяющих уравнений теории ползучести;
- Существование двух механизмов микропластических деформаций, предшествующих разрушению и связанных с различными уровнями термоак-тивационных параметров и с различными типами дефектов кристаллической решетки.
Изложение материала в диссертации ведется от общей постановки проблемы путем последовательного решения ряда основных задач и распределено по главам следующим образом.
В первой главе кратко изложены основные теории ползучести и критерии разрушения, проанализированы условия эксплуатации жаропрочных материалов и рассмотрены особенности циклического нагружения. Дан обзор известных экспериментальных и теоретических работ по циклической ползучести и длительной циклической прочности и на этой основе сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе сформулированы и обоснованы исходные предпосылки и гипотезы, построена феноменологическая теория циклической ползучести, разработана методика определения коэффициентов и рассмотрено решение важных частных случаев циклической ползучести. Сформулирован и физически обоснован критерий интенсивного развития ползучести при многоцикловом нагружении.
В третьей главе разработаны модели длительной циклической прочности и предельного состояния, описывающие зависимость между долговечностью, статическими и циклическими напряжениями, деформациями ползучести и частотой нагружения. Четвертая глава посвящена разработке методики экспериментального исследования циклической ползучести и усталостного разрушения при многоцикловом нагружении, планированию эксперимента и вопросам статистической обработки экспериментальных данных. Дана общая характеристика жаропрочным никелевым сплавам как классу материалов и изложены основные экспериментальные данные.
В пятой главе на основе анализа экспериментальных данных установлены основные закономерности процесса циклической ползучести, предложена методика учета влияния напряжений цикла и температуры на скорость ползучести, а также выявлены наиболее характерные механические эффекты деформирования и разрушения при многоцикловом нагружении.
Шестая глава посвящена обобщению термоактивационной теории прочности на условия многоциклового нагружения, выявлению и физическому обоснованию механизмов и особенностей взаимодействия ползучести и усталости. Сформулированы условия развития атермических и термически активируемых процессов разрушения при циклических нагружениях.
В седьмой главе решен ряд новых задач по расчету и прогнозированию деформаций циклической ползучести при однократном и ступенчатом нагружениях, по расчету и прогнозированию долговечности и предельного состояния для области усталостного разрушения, разрушения от циклической ползучести и смешанного, по расчету степени реализации исходной пластичности при многоцикловом нагружении, по расчету и прогнозированию деформаций циклической ползучести и долговечности на основе статической ползучести и на основе кривой мгновенного деформирования. Намечены некоторые пути направленного изменения жаропрочности конструкционных материалов.
В восьмой главе обобщены основные научные результаты, полученные в работе, определена ее практическая ценность и намечены возможные пути дальнейшего развития и практического использования научных результатов, экспериментальных данных и методик экспериментальных исследований.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 42 научных публикациях и доложены на Ш и ІУ Всесоюзных научно-технических конференциях по конструкционной прочности двигателей (г.Куйбышев, 1974 г., 1976 г.), на Всесоюзном семинаре по методам прогнозирования прочности материалов и конструктивных элементов машин большого ресурса (г.Киев, 1975 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции по разработке научных основ и методов повышения надежности и долговечности авиационных газотурбинных двигателей (г.Запорожье, 1978 г.), на 15 Всесоюзном научном совещании по тепловым напряжениям в элементах конструкций (г.Канев, 1980 г.), на Всесоюзном совещании по физико-химическим основам жаропрочности металлических материалов (г.Москва, 1981 г.), на Всесоюзном симпозиуме по ползучести в конструкциях (г.Днепропетровск, 1982 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции по повышению надежности и долговечности машин и сооружений (г.Киев, 1982 г.), на Всесоюзной конференции по численной реализации физико-механических задач прочности (г.Горький, 1983 г.), на Всесоюзной конференции по современным проблемам строительной механики и прочности летательных аппаратов (г.Москва, 1983г.) на семинарах по механике деформируемого твердого тела Института механики МГУ (рук. проф. В.П.Нетребко, В.М.Панферов, С.А.Шестериков), на коллоквиуме лаборатории прочности Института металлургии АН СССР (рук. проф. В.С.Иванова), на семинаре по термомеханике Института механики АН УССР (рук. чл.-корр. АН УССР Ю.Н.Шевченко), на семинаре секции металлов НПО ЦКТИ (рук. проф. В.Н.Земзин), на семинаре кафедры теории пластичности МГУ (рук. проф. В.Д.Клюшников), на семинаре по механике деформируемых систем и общей механике Института механики АН УССР (рук. академик АН УССР А.Н.Гузь).
Ползучесть металлов. Основные теории ползучести и критерии разрушения
Ползучесть является важнейшим проявлением вязкопластических свойств твердых тел и заключается в постепенном наростании остаточной деформации во времени при постоянном напряжении или постоянной нагрузке. В металлах явление ползучести вызвало значительный интерес прежде всего потому, что наблюдалось в деталях паровых, стационарных и транспортных газовых турбин, работающих при высоких температурах.
Практические задачи расчета на ползучесть инженерных конструкций стимулировали экспериментальные исследования и поиски теоретического описания процесса ползучести. Первые работы по теории ползучести с применением их к расчетам деталей машин были опубликованы в двадцатых-тридцатых годах текущего столетия А.Андраде, Р.Бейли,
Одквистом и К.Содербергом. С тех пор теория ползучести интенсивно развивалась и развивается в фундаментальных работах Н.Х.Арутюняна, Дж.Дорна, А.А.Йльюшина, А.Ю.Ишлинского, Л.М.Качанова, Н.Н.Малинина, В.В.Москвитина, А.Надай, Й.А.Одинга, В.Прагера, Ю.Н.Работнова, Н.Хоффа, С.А.Шестерикова и др. Благодаря их усилиям к настоящему времени разработано большое количество методов, позволяющих рассчитывать с требуемой точностью величину остаточных деформаций, время до разрушения, а также напряженно-деформированное состояние в элементах конструкций при самых разнообразных условиях нагружения.
С позиций механики деформируемого твердого тела поведение материала в процессе ползучести может быть охарактеризовано введением в уравнение состояния пяти переменных: трех механических - деформация ползучести р, скорость ползучести п и приложенное напряжение б , одной физической - температура Т и одной кинематической - время t . В общем случае решение задачи ползучести сводится к построению определяющих уравнений, устанавливающих зависимость между всеми переменными, т.е. к обобщению закона ползучести в виде F M,.6,T.t)-0, (1Л) при этом, конечно, постулируется принципиальная возможность существования таких уравнений.
Зависимости вида (1.4) имеют довольно сложную структуру, и решение задач ползучести в общей постановке сопряжено с серьезными трудностями. По этой причине при исследовании ползучести вводится ряд упрощающих гипотез и допущений. В частности вводятся ограничения на количество переменных состояния и выдвигаются гипотезы о форме связи между ними, которые называются техническими теориями ползучести. В настоящее время при практических расчетах наиболее широко используются следующие основные теории ползучести: старения, течения, упрочнения, наследственной вязкоупругости. -23 Согласно теории старения предполагается, что при фиксированной температуре зависимость существует между деформацией ползучести р , напряжением б и временем t , т.е. = (бД). (1.5) п = Г Теория старения была предложена К.Содербергом [265], а обобщение и анализ ее сделаны Ю.Н.Работновым [I4I-I43]. В теории течения предполагается, что при постоянной температуре зависимость существует между скоростью ползучести 6р , напряжением б и временем I , т.е. р = (бД) (1.6) Теория течения была предложена К.Давенпортом [215] и развита впоследствии в работах отечественных ученых [11,84,104-,14-1]. В теории упрочнения предполагается, что при фиксированной температуре зависимость существует между деформацией ползучести бр , ее скоростью р и напряжением б , т.е. р-(бр,б). (І-?)
Эта теория предложена П.Людвиком [242] и К.Давенпортом [215] и получила дальнейшее развитие в работах Ю.Н.Работнова [141], Г.Ф.Ле-пина [99] и др.
В теории наследственной вязкоупругости предполагается, что деформация ползучести в данный момент времени t зависит не только от величины действующего в этот момент напряжения, но и от истории предшествующего нагружения. В случае линейных свойств деформации соответствующее уравнение теории имеет вид t p = o-jnct)6(t)dT, С1-8) о где о- начальная (упругая) деформация : M)- ядро ползучести, учи -24 тывающее влияние напряжений в предшествующий момент времени Г . Теория наследственной вязкоупругости, предложенная Л.Больцманом [214], получила значительное математическое развитие в работах В.Вольтерра [272] и в работах ряда отечественных ученых [3,63,69,78,98,105,141, 146,173,190 и др.].
Построение теории ползучести и выбор формы взаимосвязи между переменными уравнения (1.4), а также конкретизация функции 4 в уравнениях (1.5)-(1.7) и функции 11 в уравнении (1.8) базируются на основе обработки результатов экспериментальных исследований ползучести. В качестве первичных данных используются диаграммы ползучести (рис. I.I), представляемые в различных системах координат при варьировании б и 1 . Классическая кривая ползучести металла состоит из трех участков, соответствующих трем стадиям ползучести: неустановившейся (участок АВ), установившейся (участок ВС) и ускоренной (участок СД). Относительное развитие каждой стадии для конкретного материала зависит от внешних условий - уровня температуры и величины напряжений.
Кроме вышеперечисленных теорий ползучести существуют также различные эмпирические соотношения [і,14,43,141,198,209,233], описывающие отдельные участки кривых ползучести, и физические теории [2,20, 22,95,99,119,123,147,249].
Условия интенсивного развития циклической ползучести
Проблема оценки сопротивления материалов деформированию и разрушению при высокотемпературном многоцикловом нагружении является в настоящее время одной из наиболее актуальных в задаче обеспечения прочности и надежности деталей и конструкций. Это обусловлено прежде всего специфичностью воздействия циклических нагрузок и, соответственно, специфичностью реакции материала на такое воздействие, а также тем, что разрушение от циклических нагрузок является в настоящее время доминирующим. В связи с этим, при оценке прочностных свойств конструкционных материалов широко используются характеристики, призванные отражать сопротивление циклическому нагружению. В их числе такие традиционно применяемые как сопротивление мало- и многоцикловой усталости, трещиностойкость, а также специфичные для условий высоких температур - термоусталость, сопротивление циклической ползучести и длительная циклическая прочность.
Особенно актуальна эта проблема для жаропрочных сталей и сплавов, которые используются при изготовлении ответственных деталей энергомашин, поскольку, как показано в разделе І.І, режим высокотемпературного многоциклового нагружения является для них одним из основных. К этим деталям относятся рабочие и направляющие (сопловые) лопатки газовых турбин, диски, лопатки и диски некоторых ступеней компрессора, трубопроводы, фланцы, корпуса камер сгорания, сопла, жаровые трубы, крепежные изделия. В последние годы большое значение вопросы высокотемпературной прочности при циклических нагружениях приобрели в атомной энергетике, химическом машиностроении, ракетной технике, а также при проектировании резервуаров, хранилищ, трубопроводов для горячих жидкостей и газов.
В настоящее время задача оценки высокотемпературной циклической прочности жаропрочных материалов существенно усложнилась. Это связа но, с одной стороны, с наметившейся тенденцией к росту уровня эксплуатационных температур в связи с необходимостью увеличения мощности и повышения экономичности энергоустановок, а с другой - с расширением области применения жаропрочных материалов. С повышением температуры возрастает опасность наступления разрушения при малых значениях 6Q , в том числе при циклических напряжениях, отстроенных от резонанса, а расширение условий эксплуатации связано с расширением частотного диапазона. Вместе с тем, как известно, прочностной ресурс современных жаропрочных материалов практически исчерпан, а технологические методы повышения жаропрочности оказываются малоэффективными. В частности, попытки традиционными "металлургическими" методами повысить длительную прочность приводят к снижению пластичности до минимально допустимого уровня, что в свою очередь существенно снижает циклическую прочность и т.д.
Наиболее перспективным в настоящее время направлением в решении задач высокотемпературной прочности является, по-видимому, стремление к рациональному использованию тех свойств жаропрочных материалов, которыми они уже располагают. В связи с этим, первостепенное значение приобретают вопросы исследования и оценки фундаментальных свойств жаропрочных материалов, в том числе дальнейшее расширение исследования этих свойств при циклических нагружениях, уточнение методов оценки напряженно-деформированного состояния и методов оценки и прогнозирования долговечности. Некоторые из этих вопросов уже решены, другие-довольно успешно решаются. Так, за последнее время в жаропрочных сплавах подробно исследован процесс многоцикловой усталости в условиях симметричного и асимметричного циклов нагружения [10,59,71,72,75, 86,96,159,187 и др.], исследуются малоцикловая усталость [67,108,115, 151,160,172,197,264], ползучесть в условиях теплосмен [11,115,155, 159,175,200], термоусталость [5,11,25,92,115,176,177] и циклическая ползучесть в условиях медленно изменяющихся нагрузок [11,15,115,114, 135,172 и др.]. Начато экспериментальное исследование кинетики развития усталостных трещин при высоких температурах [52,93,212,217, 234,247,252,253]. Предполгается также, что процесс высокотемпературной усталости может быть рассмотрен теоретически с позиции механики разрушения вязко-упругих тел [77] или на основании структурных уравнений [51].
Вместе с тем ряд актуальных задач исследования прочностных свойств жаропрочных сплавов при циклическом нагружении еще не решен. В частности, недостаточно исследовано их поведение в условиях повторно-статического нагружения, не установлена надежная количественная связь между параметрами структуры и циклической прочностью, не исследована взаимосвязь между усталостью и ползучестью, необходимо дальнейшее расширение изучения сопротивления жаропрочных сплавов распространению усталостных трещин при высоких температурах, особенно в условиях развитой ползучести.
Одной из наиболее актуальных и малоисследованных проблем высокотемпературной циклической прочности жаропрочных материалов является оценка процесса ползучести и долговечности при многоцикловом нагружении. В этой области предприняты попытки решения только некоторых частных задач, относящихся к весьма ограниченному диапазону условий циклического нагружения, а именно - когда циклические нагрузки намного меньше статических. Это ограничение существенно суживает возможности такого подхода, так как в реальных конструкциях циклические нагрузки изменяются в довольно широком диапазоне амплитуд, превышая в отдельных случаях статические.
Модели смешанного разрушения
Диаграмма зависимости усталостной долговечности от напряжения при квазихрупком (К2—") разрушении, рассчитанная согласно (3.20) по программе табл. ПЗ и условии -Єі- Ат.п, показана на рис.3.2,в Dm "Р (кривая I). Влияние статической компоненты бт учитывается при этом косвенно коэффициентом L , чувствительным к степени асимметрии. Характерно также, что структура уравнения (3.20) отражает эффект повышения усталостной долговечности Np при увеличении частоты нагружения (пунктирная кривая на рис. 3.2,в), что в качественном отношении согласуется с известными экспериментальными данными [75,81, 86,159,181,184 и др.] .
Для непосредственной оценки влияния статической компоненты бт на усталостную долговечность рассмотрим случай, когда кинетика усталостной поврежденности учитывается в дифференциальном уравнении (3.11) степенной зависимостью для циклической компоненты ба при значении (1= I. После интегрирования (3.11) при заданных начальных ус ловиях (2.4-І) исходное уравнение записывается в форме (3.13). Используя критерий (3.9), после подстановки и ряда преобразований из (3.13) получаем уравнение длительной циклической прочности для оценки усталостной долговечности в терминах числа циклов No в виде Np = B3eXp (- )(6 6a)WP, (3.21) д Lh № ] г где Du і/г ; 1(П) - полная гамма-функция. Решая уравне ние (3.21) относительно статической компоненты бт и выполнив необходимые преобразования, получим уравнение 6mp = LtnTj LEn(6ap) "бар , (3.22) устанавливающее зависимость между предельными значениями статических и циклических напряжений.
Уравнения (3.21) и (3.22) также включают в себя в различном сочетании известные эмпирические зависимости и в частности степенную (1.9) и экспоненциальную (1.10), используемые при оценке долговечности. При бт= 0 уравнение (3.21) обращается в уравнение =Взе р(- )(баГР\ (3-23) описывающее усталостную долговечность при симметричном цикле нагру-жения. По структуре уравнение (3.23) совпадает с уравнением (3.20), однако не учитывает частоту нагружения 4 . Оно справедливо, по-видимому, для условий и материалов, когда частота не оказывает существенного влияния на процесс усталости. Из структуры уравнений (3.20)+ (3.23) также видно, что они не противоречат факту обращения долго вечности в бесконечность при ба и бт — -0 и уменьшению долговечности при увеличении каждой из компонент. Оценка параметров длительной циклической прочности на основе уравнений (3.20) (3.23) реализуется в части программы табл. ПЗ при выполнении условия - - А„П. Полу-чаемые при этом результаты расчета показаны на рис. 3.2,в,г сплошными линиями.
Как видно, отсутствие статической компоненты бт и соответственно развитых деформаций циклической ползучести s (- - = о , что Dm » А„„) приводит к известной кривой для долговечности вследствие ау разрушения от усталости (кривая I рис. 3.2,в). Предельное состояние для заданной долговечности определяется значениями 6N ( N3 N N.,) на диаграммах " бй - ит " (рис. 3.2,г). При наложении или увеличении статической компоненты бт (кривые 2,3 рис. 3.2,в и точки Q, ,C рис. 3.2,г) происходит или снижение долговечности (Np2 Npi) или уменьшение величины предельной циклической нагрузки (баз баг баї) В качественном отношении это также согласуется с известными экспериментальными данными, полученными для большинства металлов и сплавов.
В предыдущих разделах была рассмотрена длительная циклическая прочность на основе моделей вязкого и хрупкого разрушений. При этом были выделены области преимущественного разрушения от циклической ползучести и усталостного разрушения. Очень часто эти области разделяет зона смешанного разрушения (участок BD рис. 3.1), которая характеризуется одновременным протеканием и интенсивным взаимным влиянием процессов ползучести и усталости.
Для решения задачи длительной циклической прочности в условиях смешанного характера разрушения воспользуемся развитым в работах [141,191,192,241 и др.] подходом к определению времени вязко-хрупкого разрушения применительно к условиям статического нагружения. Если исходить при этом из предположения, что процессы ползучести и усталости развиваются параллельно и не связаны друг с другом в явном виде, то основные уравнения, лежащие в основе смешанного разрушения согласно (3.5) запишутся в виде J+ - lHUm,Ua,G2) "ТЙі=:У2(6т,ба, )1 (3.25) где бт , ба - номинальные значения напряжений. Решение задач длительной циклической прочности при смешанном характере разрушения предполагает совместное решение уравнений (3.24) и (3.25). Конкретизация уравнений осуществляется из рассмотрения каждого из процессов в отдельности.
Объект исследования, планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных
Наибольший прогресс в области повышения жаропрочности достигнут для сплавов на никелевой основе, которые применяются в настоящее время при самых высоких гомологических температурах и составляют, к примеру, более 40 % веса современных авиационных двигателей. Эти успехи во многом были предопределены как всем ходом исторического развития исследований и разработок жаропрочных сплавов, так и тем обстоятельством, что основные компоненты никелевых сплавов наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к получению высокой жаропрочности. В Англии и Австралии, где жаропрочные никелевые сплавы были разработаны и исследованы раньше, чем в других странах, они получили название Нимоников, в США - Инконелей, во Франции - Онера-лей, в Советском Союзе - Эй, ЭП, 1С, ВЖ, ВЖЛ и др.
Широкое использование жаропрочных никелевых сплавов позволило за период с 1950 года по настоящее время поднять температуру газов на входе в турбину с температуры менее 1000 К до температур более 1400 К, увеличить в три раза удельную мощность, повысить ресурс со 100 часов до 100000 и снизить удельный расход топлива более чем в два раза [25,52,125,154,156]. Частично хронология совершенствования температурной способности жаропрочных никелевых сплавов, позволяющих добиться таких результатов, приведена на рис. 4.1 (под температурной способностью здесь понимается некоторая условная температура, при которой напряжение 140 МПа вызывает разрушение за 100 часов).
Как известно [10,25,154,161], на ранних стадиях развития газовых турбин в качестве основных материалов для деталей, работающих в нагруженном состоянии при высоких температурах, использовались модифицированные ауетенитные хромоникелевые стали. Первое упоминание об этих сталях относится в 1906 году, а к 1925 году, т.е. к началу поисковых разработок газовых турбин, было установлено, что лучшие представители хромоникелевых сталей (отечественные Х20Н25, XI8H9 и зарубежные Х20Н60, Х20Н80) обладают сопротивлением ползучести намного большим, чем любые другие имевшиеся в то время материалы. Тщательные исследования этих сталей показали, что небольшие добавки алюминия, титана и ниобия делают хромоникелевые стали восприимчивыми к термической обработке, способствующей выделению в них дисперсной вторичной фазы. Как впоследствии выяснилось, благодаря выделению именно дисперсных частиц никелетитановых или никелеалюминиевых соединений достигается в жаропрочных сплавах высокое сопротивление ползучести [Ю]. Кроме того, хромоникелевые стали обладают повышенной склонностью к образованию защитных пленок, богатых окисламиLl2,(J3 и Аци3 . Первые ограничивают скорость диффузии металлических элементов изнутри, а вредных примесей (кислорода, азота, серы и др.) - из атмосферы внутрь материала. Вторые - обеспечивают высокую стойкость против окисления.
Современные жаропрочные сплавы на никелевой основе - это сложные сплавы с различными аустенитными матрицами ( Т -фаза), упрочненными оптимальными добавками некоторых легирующих элементов, дисперсными частицами интерметаллической Т -фазы (соединениеІді-зІ.Аі,Ш с ГЦК решеткой) и карбидами. Особенности прочностных свойств сложных никелевых жаропрочных сплавов можно рассмотреть с позиций основных механизмов упрочнения, действующих с учетом разделения легирующих элементов между Y" - и Y -фазами, которое влияет на кинетику формирования фаз, несоответствие их решеток, на стабильность и энергию антифазной границы [2,13,52,83,125,161]. Однако решающая роль в создании высокой жаропрочности в никелевых сплавах принадлежит дисперсным частицам ник еле ти тано алюминиевого соединения NI5AL. или №з( At, It ), т.е. Y -фазе, выделяющейся внутри пересыщенного твердого раствора. Так, согласно Э.Оровану ІІ25], С.Анселлу [2] и другим приращение жа -148 ропрочности сплавов по отношению к прочности матрицы определяется из соотношения
Упрочняющее влияние Т -фазы обусловлено многими факторами (степенью упорядочения и дисперсности, различием в модулях упругости частиц и матрицы, степенью когерентности частиц и матрицы и др.), но главная особенность заключается в том, что выделения этой фазы действуют как препятствия для движущихся дислокаций [2,13,51,52,94, 125,161]. В частности, в области высокотемпературной ползучести дислокации вынуждены двигаться путем поперечного скольжения или переползания для того, чтобы пройти мимо выделений. Подвижность дислокаций будет, естественно, в значительной степени утеряна и развитие термического разупрочнения, способствующего ползучести, замедлится. Кроме того, частицы выделений могут и закреплять дислокации, препятствуя их скольжению и переползанию.
