Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ общих закономерностей деформирования и разрушения металлов при малоцикловом нагружении (Обзор)
I.I. Влияние режима яагружения и циклических свойств металлов на характер разрушения М
1.2 Некоторые закономерности циклической ползучести \&
1.3. Закономерности перехода от квазистатического разрушения к усталостному
1.4. Влияние асимметрии цикла напряжений на характеристики сопротивления металлов деформированию и разрушению 30
1.5. Критерии предельного состояния и расчетные методы оценки долговечности металлов 39
1.6. Выводы и постановка задачи исследования 43
Глава 2. Методика исовдования деформирования и разрушения материалов при малоцикловом нагружении
2.1, Обоснование выбора материалов и режимов нагружения 47
2.2. Методика исследования прочности и пластичности материалов. 45
2.2.1. Конструкции установок 49
2.2.2. Методика испытания материалов при повышенных температурах
2.2.3. Методика испытания материалов при трапецеидальном цикле нагружения 60
2.2.4. Конструкция образцов 65
2.3. Методика статистической обработки эксперименталь ных данных
Выводы 73
Глава 3. Результаты исследования влияния асимметрии цикла напряжений на деформирование и разрушение стали сплава ВТ9 14
3.1. Циклическая прочность и долговечность... 11
3.2. Циклические деформации 8В
3.2.1. Циклическая ползучесть ... 88
3.2.2. Предельная пластическая деформация при квазистатическом и усталостном разрушениях 37
3.3. Критический размер усталостной трещины сплава ВТ9 М
3.4. Влияние температуры и формы цикла нагружения на характеристики сопротивления малоцикловой усталости..
3.4.1. Результаты испытаний сплавов при повышенных температурах.
3.4.2 Результаты испытаний сплава ВТ9 при трапецои-дальном цикле нагружения №
3.5. Прогнозирование долговечности сплавов при знако переменном малоцикловом нагружении І53
Выводы
Глава 4. Взаимосвязь процесса циклической ползучести с процессом разрушения при малоцикловом нагружении ^
4.1 Влияние асимметрии цикла напряжений на законо мерности циклического упругопластического деформирования 445
4.2. Влияние асимметрии цикла напряжений и истории деформирования на закономерности квазистатического и малоциклового усталостного разрушения сплавов... fi
4.3. Взаимосвязь предельных характеристик сплавов... 16І
Выводы
Общие выводы
Литература
- Закономерности перехода от квазистатического разрушения к усталостному
- Методика испытания материалов при повышенных температурах
- Предельная пластическая деформация при квазистатическом и усталостном разрушениях
- Прогнозирование долговечности сплавов при знако переменном малоцикловом нагружении
Введение к работе
За время эксплуатации корпуса паровых котлов и атомных реакторов, корпуса судов, турбомашини и т.п. воспринимают циклические нагрузки, вызывающие в наиболее нагруженных деталях или узлах упругопластическое деформирование, в результате чего в локальных объемах материала напряжения достигают или превышают предел текучести. Число таких циклических нагрузок, обсуловленных в основном изменением режимов работы, за весь период службы конст-рукций колеблется обычно в диапазоне от 10 до 10й циклов.
Опыт эксплуатации показывает, что при малоцикловом нагруже-нии разрушение элементов конструкций происходит в результате исчерпания предельной пластичности материала (квазистатическое разрушение) или в результате развития усталостной трещины (усталостное разрушение). Интенсивность накопления квазистатического повреждения и достижение предельного состояния определяются процессом циклической ползучести.
Учитывая, что в последнее время непрерывно происходит повышение рабочих параметров энергетического, химического, транспортного и др. видов оборудования, максимальное использование прочностных свойств материалов, при научно-обоснованном выборе коэффициента запаса прочности, приобретает важное практическое и научное значение. Естественно, при этом возрастают требования к точности и надежности методов расчета на прочность и долговечность конструкций.
В работах советских и зарубежных авторов дан теоретический анализ результатов экспериментального исследования закономерностей малоцикловой усталости при различных режимах и условиях на-гружения. В то же время вопросы, связанные с процессом цикли-
— — ческой ползучести,при знакопеременном нагружении изучены недостаточно полно.
При малоцикловом нагружении, в основном, имеются экспериментальные данные для отнулевого цикла растяжения. Поэтому назрел вопрос о систематическом исследовании влияния асимметрии цикла напряжений на закономерности деформирования и разрушения металлов и сплавов при малоцикловом нагружении» В первую очередь, это относится к установлению влияния циклической ползучести на циклическую прочность, долговечность и предельную пластичность при различных соотношениях растягивающих и сжимающих напряжений в цикле, моделирующих реальные условия эксплуатации конструкций.. Недостаточно полно рассмотрены вопросы, связанные с переходом квазистатического разрушения к усталостному.
В настоящей работе приведены результаты экспериментального исследования влияния асимметрии цикла напряжений на развитие процессов ползучести и на характер разрушения конструкционных материалов в условиях малоциклового нагружения.
В качестве материала исследования выбраны титановый сплав ВТ9, и сталь І5Х2НША, широко используемые в машиностроении.
Изучение влияния асимметрии цикла напряжений, в соответствии с поставленной задачей, включает:
проведение испытаний при малоцикловом нагружении стали І5Х2НША и сплава ВТ9 с записью диаграмм циклического деформирования при различных коэффициентах асимметрии цикла;
анализ закономерностей и особенностей деформирования при квазистатическом и усталостном разрушении, в частности, интенсивности накопления пластических деформаций, предельной пластичности" и критическогрразмераусталостной трещины;
анализ взаимосвязи кинетики накопления односторонних пластических деформаций и циклической прочности, долговечности л вида разрушения стали І5Х2НША и сплава ВТ9 ;
изучение влияния температуры испытания и формы цикла нагру-жения на основные закономерности деформирования и разрушения ис -следованных материалов при различных асимметриях цикла напряжений;
оценку применимости известных расчетных зависимостей, основанных на учете процесса циклической ползучести для прогнозирования долговечности при знакопеременном нагрукении.
Обобщение большого объема экспериментальных результатов по исследованию влияния асимметрии цикла напряжений на деформирование и разрушение стали І5Х2НМФА и сплава ВТ9 позволило установить взаимосвязь этих процессов, которая состоит в том, что при уменьшении асимметрии цикла напрякений от 0 до -I скорость установив -шейся ползучести существенно возрастает. Эффект возрастания ско -рости установившейся ползучести может быть объяснен различным сопротивлением материала упругопластическим деформациям в полуциклах растяжения и сжатия вследствии изменения циклического предела текучести. Таким образом исчерпание предельной пластичности по числу циклов нагружения произойдет раньше при симметричном цикле нагру-жения,чем при отнулевом цикле растяжения.
При этом, что особенно важно, асимметрия цикла напряжений также как и максимальное напряжение цикла ((5 max), режим нагружения (жесткий или мягкий) и т.п. является одним из основных эксплуатационных факторов, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации конструкций.
На защиту выносятся:
г- экспериментально обоснованный вывод о взаимосвязи интенсив-
- t -
ности циклической ползучести с прочностью и долговечностью сплавов в условиях мало циклового нагружения при различных асимметриях цикла напряжении ;
- влияние процесса циклической ползучести на закономерности ' квазистатического и мало циклов ого усталостного разрушения.
Полученные результаты по исследованию прочности сплава ВТ9 и сталії І5Х2ШФА в условиях малоциклового нагруКения внедрены на КМЗ (г.Куйбышев) и ВДИЙШАШ (г.Москва).
Представленные результаты исследования сопротивления материалов малоцикловому разрушению при различных асимметриях цикла напряжении с учетом реальных условий эксплуатации позволили оценить эквивалентность режимов нагружения по отношению к отнулевому циклу растяжения, что представляет практический интерес для конструкторов газотурбинных двигателей и позволяет более обосновано обеспечить надежность и долговечность эксплуатации сосудов высокого давления. Общий экономический эффект от использования результатов исследования сплава БТ9 и стали І5Х2ІША. составил 125 тысяч рублей.
Основные результаты выполненной работы нашли отражение в следующих публикациях [8,9,22,23,24,45,63,64,75,84] .
Диссертационная работа выполнена в отделе усталости и термоусталости материалов Института проблем прочности АН УССР.
Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю академику АН УССР Трощенко Валерию Трофимовичу.
Закономерности перехода от квазистатического разрушения к усталостному
Исследование закономерностей упругопластического деформирования металлов было впервые проведено Баушингером. Он установил, что при пульсирующем растяжении в пластической области наблюдается повышение предела текучести при последующих нагружениях до величин напряжений, от которых производилась разгрузка. При знакопеременном нагружении предел текучести при последующем нагружении уменьшается тем больше, чем выше было напряжение предыдущего цикла.
В основе изменения предела текучести металла при циклическом нагружении (эффект Баушингера) лежат остаточные напряжения, которые возникают вследствие неоднородности деформирования отдельных зерен поликристалла [ 79, 83] .
При малоцикловом нагружении в материале могут накапливаться повреждения как квазистатического,так и усталостного вида. При этом под усталостным разрушением понимают такое разрушение, которое происходит в результате циклического упругопластического деформирования материала, приводящего к образованию и развитию до критической величины- усталостной трещины. Квазистатическое разрушение сопровождается циклической ползучестью (направленным накоплением деформации) и завершается после реализации предельной пластичности. Каждому механизму повреждения материала соответствует определенный вид разрушенного образца с присущими для него особенностями [74,77,79,95] . При квазистатическом разрушении наиболее распространен вид излома типа "чашка-конус". В этом случае поверхность разрушения гладкого цилиндрического образца имеет центральный участок, перпендикулярный направлению растяжения,и наклонен-нне под ом зкб0 скос, со СР_8 и »«; поверхнос.
Плоская поверхность есть результат нормального отрыва, а наклонная - сдвигового отрыва» Изломы в случае квазистатического разрушения имеют вязкий характер и отличаются, в основном,меж зеренным видом[7$ ]. Усталостное разрушение, как показано в работах [43,77 ], является внутризеренным. Зарождение усталостных трещин при малоцикловом нагружении происходит преимущественно внутри зерен [б5, 101] у поверхности образца, а источниками микротрещин являются поры, возникающие в зонах максимального сдвигового напряжения[79]. Трещины обычно распространяются по нескольким плоскостям, затем они соединяются друг с другом ступеньками, образуя при этом характерную борозчатую структуру, которая показывает локальное направление распространения трещины.
Таким образом,двойственность характера повреждения материала связана с возникновением в нем знакопеременных пластических деформаций и деформаций циклической ползучести. Различное сопротивление упругим и пластическим деформациям в полуциклах ратяжения и сжатия определяет ширину петли упругопластического гистерезиса и односторонне накопленную для данного цикла деформацию [3,20,50, 60 ]. Поэтому основными характеристиками, определяющими особенности циклического деформирования и разрушения, являются кинетика изменения петли упругопластического гистерезиса (о ) по числу циклов нагружения и интенсивность накопления пластических дефор (к) маций (п/і. ) (рис.1.1).
Исследование кинетики изменения ширины петли гистерезиса и интенсивности накопления односторонней деформации позволило классифицировать конструкционные металлы по циклическим свойствам (упрочняющиеся, разупрочняющиеся, стабильные) и показать і существенное влияние этих процессов на вид разрушения. Для циклически упрочняющихся материалов характерно уменьшение ширины пет- , ли гистерезиса с увеличением числа полуциклов нагружения (рис.1,2, кривые 1-3). При этом суммарная пластическая деформация стремится к некоторой постоянной величине (рис.1,3а). У циклически стабильного материала ширина петли остается постоянной (см. рис. 1,2, кривые 4-5) и наблюдается односторонее накопление пластической деформации когда ширина петли в четном полуцикле больше чем в нечетном полуцикле (см.рис.1.36). Увеличение ширины петли гистерезиса (см.рис.1,2, кривые 6-8) и суммарной пластической деформации характерно для разупрочняющихся материалов (см.рис.І.Зв). Деформирование упрочняющихся материалов чаще всего приводит к усталостному разрушению, а для стабильных и разупрочняющихся в этом случае характерно квазистатическое разрушение [18,50,79, 87 ]. Необходимо отметить, что такое представление о циклических свойствах материалов является условным, т.к. для одних и тех же материалов в зависимости от условий нагружения (уровень исходных напряжений и деформаций, скорость нагружения, число циклов нагружения, температура, термообработка и т.п.) может наблюдаться как упрочнение,так и разупрочнение [79].
Изменение соотношения интенсивности протекания процессов направленного и знакопеременного деформирования будет, главным образом, влиять на вид разрушения материала [50,68,87].
Методика испытания материалов при повышенных температурах
В работах [16,74] отмечается, что при расчетах на прочность и долговечность деталей машин и конструкций при циклических нагрузках в области малоцикловой усталости необходимо знать напряжение и количество циклов при котором происходит переход одного механизма разрушения к другому, так как это диктуется практической необходимостью и является важным критерием с точки зрения проектирования конструкций [ 6 ].
Переходу от квазистатического разрушения к усталостному соответствует некоторый интервал долговечностей и уровнейотазс ,а поло жение этих интервалов на осях(эгаах -Np" может изменяться в широких пределах в зависимости от типа материала и условий испытаний [79]. Изменение вида разрушения может быть зафиксировано по особенностям кривых усталости, предельных кривых пластической деформации и скорости установившейся ползучести. Из сравнения кривых малоцик-ловой усталости и предельных кривых скоростей установившейся ползучести и пластической деформации видно, что характерным переломам на всех трех типах кривых соответствуют одинаковые уровни напряжений и долговечностей (рис. 1.8). При этом величина напряжения в цикле (бщах), число циклов до разрушения ( Np), скорость установившейся ползучести (Vy.n.) и предельная деформация (р) будут определять границу перехода от квазистатического разрушения к усталостному. В работах [67,68] предлагается напряжения бтах назвать условным пределом циклической ползучести, так как ниже этих значений разрушение от циклической ползучести не происходит, хотя ишеет место одностороннее накопление пластических деформаций.
Таким образом, переломы на кривых усталости и предельных скоростей ползучести и разрывы на предельных кривых пластической деформации вызваны изменением особенностей деформирования и отображают изменение характера разрушения. Изменения характера макроразрушения подтверждает и анализ структуры поверхности излома образца [16, 76 ] . Для большинства материалов, испытанных при отнулевом цикле растяжения,переход от квазистатического разрушения к усталостному характеризуется критической величиной скорости установившейся пол-зучести, значения которой располагаются в диапазоне от 1»10 до 5 10 -Ям/мда [68,74] . Управляя скоростью циклической ползучести можно получить квазистатическое или усталостное разрушение материала. При этом следует учитывать, что если основная часть долговечности реализовалась при напряжениях, соответствующих области усталост ного разрушения, а окончательное разрушение имело место при напряжениях выше величины бтах, то образец разрушался квазистатически [72].
В ряде работ подробно рассмотрено изменение характера разрушения металлов и сплавов при циклическом нагружении [7,17,49,74, 77,79,91].
Положение области перелома на кривой усталости не обязательно связывать с характеристиками механических свойств материалов [7,74] и, в частности, с условным пределом текучести (60,2), так как поведение материала существенно зависит от его циклических свойств и условий нагружения (рис.1.9), а,следовательно, и от интенсивности накопления пластических деформаций, которая в свою очередь определяет вид разрушения и долговечность. В работе [74] показано, что для материалов с циклически стабильными свойствами деформирования (0Т4, ВТІ4, ВТ6С, ВТЗ-І, 15Г2АФДпс) напряжения перехода практически "совпадают с пределом текучести, для циклически разупрочняющихся сплавов (ВТ5-1,АТ2-2) значение бтах находится ниже Єо,г и для циклически упрочняющихся (Д20-І,АМг6,БрХ08ДІ8НІ0Т,0ЄХІЗАГІ9 и др.) значение (э&ах меньше чем 6о,і. Таким образом,процессы цикли-ческой ползучести протекают и при напряжениях ниже предела текучести, что особенно характерно для циклически стабильных и разупрочняющихся материалов. Поэтому нельзя говорить о том, что область малоцикловой усталости и упругопластического деформирования совпадает с интервалом напряжений выше предела текучести материала. При этом, можно предположить, что верхняя граница малоцикловой усталости для всех материалов ограничена пределом прочности.
Предельная пластическая деформация при квазистатическом и усталостном разрушениях
Анализ экспериментальных данных, характеризующих закономер -ности деформирования и особенности двойственного характера разрушения, является основой для разработки методов расчета деталей машин на прочность и долговечность. Критерии разрушения металлов могут быть условно разделены на три группы: силовые, энергетические и деформационные. Критерий в силовой трактовке предполагает, что долговечность определяется кинетикой напряженного состояния и условием разрушения является критическая величина амплитуды напряженийдостигнутая в зоне наибольшего стеснения деформации [32,59,61 ] . Использование силового критерия возможно,в основном, только в условиях усталостного разрушения. В области квазистатического разрушения его использование менее эффективно, так как силовой критерий не описывает особенности накопления повреждений, возникающих в результате перераспределения напряжений от цикла к циклу [50] .
Энергетические критерии разрушения являются более универсальными [79 ] . Использование энергетических представлений о деформировании и разрушений позволяет полнее описать эти процессы [ 52] . Несмотря на широкое распространение энергетических критериев в усталости и в механике разрушения их конкретное применение для малоциклового разрушения связано с рядом трудностей. Это объяс -няется необходимостью учитывать процесс циклической ползучести,в результате чего зависимости для оценки долговечности получаются довольно сложными, а практическое их использование весьма ограничено [52] .
В настоящее время для описания малоциклового разрушения ис-,пользуют деформационную трактовку условий квазистатического и усталостного разрушения, основанную на учете величин односторонне накопленной и циклической деформации [49,50,55,66,87] . Предполагается, что квазистатическое разрушение наступает тогда, когда односторонне накопленная деформация достигает своего предельного состояния ( р ), величина которой сопоставима с остаточным удлинением образца при кратковременных испытаниях. Интересно отметить, что в работе [ 36] рассматривают окончание процесса циклической ползучести накоплением пластических деформаций перед последним циклом нагружения. В этой же работе величина,обозначенная плц.{ рассматривается как критическая, то есть достижение ее означает, что последующее нагружение приводит к окончательному разрушению материала.
Деформационный критерий усталостного разрушения, описанный в литературе, устанавливает связь между шириной петли гистерезиса (дпл) и числом циклов до зарождения макротрещины ( Nip ). Довольно часто в качестве критерия усталостного разрушения материалов при малоцикловом нагружении используют критерий Коффина-Мэнсона [102,105] : АбмНр=С} (1.7) где К,С - параметры материала, определяемые из эксперимента при усталостном разрушении в жестком режиме.
Мэнсоном также было показано, что для большинства материалов [Ю2] существует связь между размахом полной деформации и числом циклов до разрушения с учетом влияния упругой и пластической составляющих на долговечность где а - амплитуда полной деформации за цикл. Для описания кривых сопротивления разрушению при циклическом нагружении Лангером [99]предложена зависимость, которая учитывает -раздельное влияние упругой и пластической составляющих деформаций на долговечность где о_ - предел выносливости при симметричном цикле нагруже -ния ; Ч - относительное сужение площади поперечного сечения образца при кратковременных статических испытаниях.
В уравнениях (1.8) и (1.9) первый член правой части описывает предельную упругую деформацию, а второй - пластическую деформацию.
Однако экспериментальные проверки этих уравнений показали, что в области малоцикловой усталости, когда наблюдается процесс циклической ползучести,имеется большое расхождение между экспериментом и расчетом [53,74 ] . В связи с этим необходимо добавить, что методы расчета долговечности в условиях циклической ползучести для квазистатического и усталостного разрушения разработаны недостаточно, в результате чего попытки совершенствовать расчетные зависи -мости, учитывающие двойственный характер разрушения, следует признать весьма актуальными.
Прогнозирование долговечности сплавов при знако переменном малоцикловом нагружении
Как показывают результаты проведенного исследования влияния асимметрии цикла напряжений на деформирование и разрушение конструкционных материалов, мягкий режим нагружения ведет к одновременному развитию циклической ползучести и усталостного повреждения и, следовательно к одновременному накоплению пластических деформаций и к зарождению и развитию до критических размеров усталостной трещины.
Анализ кривых циклической ползучести и предельных кривых пластических деформаций стали и сплава ВТ9 дает основание сделать вывод, что величина 6р при квазистатическом разрушении несущественно зависит от асимметрии цикла напряжений. Важно отметить, что остаточное удлинение о .являющееся характеристикой
Диаграммы циклического деформирования, характеризующие накопление пластических деформаций для фиксированного числа циклов нагружения кратковременной пластичности материала,с точностью до 15 % равно предельной пластичности при квазистатическом разрушении в диапазоне изменений коэффициента асимметрии цикла от О до - I. Причем необходимо учитывать, что для циклически стабильного сплава ВТ9 область значений предельной деформации меньше,чем величина S , а для стали І5Х2НМФА, которая является циклически разупрочняющимся материалом,предельные деформации для различных коэффициентов асимметрии большеfчем величина о .
Таким образом,принимая во внимание, что при одинаковом максимальном напряжении ( б та ) уменьшение асимметрии цикла { R5 - -I) приводит к интенсификации процесса накопления пластических деформаций на участке установившейся ползучести (рис.4.4) и учитывая тот факт, что величина cfp практически постоянная при квазистатическом разрушении, то исчерпание предельной пластичности произойдет раньше при знакопеременном нагружении, чем при знакопостоянном.Этим можно объяснить значительно меньшую циклическую долговечность при симметричном цикле нарушения. Такая закономерность является общей как для стали так и для сплава ВТ9.
При этом отметим следующие особенности в характере деформирования и разрушения материалов в области квазистатического и усталостного накопления повреждений.
О характере протекания процесса накопления односторонних пластических деформаций при квазистатическом разрушении можно судить по приведенным на рис.4.5, 4.6 экспериментальным данным, на которых показана зависимость Епп N при коэффициентах асимметрии цикла 0;-0,3;-0,5 ;-0,7. Отметшл, что кривые циклической ползучести сгруппированы таким образом, чтобы долговечность образцов отличалась незначительно. Зависимости скорости установившейся ползучести от коэффициента асимметрии цикла для сплава ВТ-9 (сплошная линии) и стали 1?Х2Ш&А (штриховые линии)
Кривые циклической ползучести при условии Щ-сотї дают возможность отметить особенность изменения соотношения между продолжительностью участков установившейся и ускоренной ползучести при знакопеременном нагружении в сравнении со знакопостоянным.Так, при нагружении с коэффициентом асимметрий цикла %$ =0 продолжительность участка установившейся ползучести от общей долговечности составляет 80 %t а продолжительность участка ускоренной ползучести 10 %. По мере уменьшения асимметрии цикла напряжений L$$- -i) продолжительность участка установившейся ползучести уменьшается и при 5 =-0,7 составляет уже 30 % от всей долговечности. Необходимо отметить, что при симметричном цикле нагружения процесс циклической ползучести, вследствие периодически изменяемого знака накопления деформаций, можно рассматривать как процесс неустановившейся ползучести.
Изменение соотношения между протяженяостью участков кривых циклической ползучести в диапазоне асимметрий цикла напряжений от О до - I может быть объяснено на основе их сравнения с участками кривых, описывающих кинетику изменения отношений {(этлх /(оо,г ) Раст#. Как видно из рис. 4.7, относительное напряжение ( 5гпл /бьі ) 3,0 больше при знакопеременном нагружении,чем при знакопостоянном с коэффициентом асимметрии &s =-0,3, а на участках кривых перед окончательным разрушением образцов наблюдается нелинейная зависимость относительного напряжения от числа циклов нагружения.
