Двухчастотном нагружении

7. Машина для двухчастотного нагружения и испытаний с переменной частотой

Оценка уровня накопленного повреждения при двухчастотном высокотемпературном малоцикловом нагружении основана на использовании закономерностей развития деформаций и суммирования компонентов повреждений от низко- и высокочастотной составляющей деформаций (напряжений). Для случаев регулярного двухчастотного нагружения на основе гипотезы линейного суммирования повреждений с привлечением характеристик статических и циклических (для одночастотного режима нагружения) свойств материала разработаны алгоритм и программа расчета повреждений в каждом цикле нагружения с их последовательным суммированием до достижения суммарным накопленным повреждением критического уровня [11].

11. Гаденин, М. М. Малоцикловая долговечность элементов конструкций в условиях высокотемпературного двухчастотного нагружения.— В кн.: III Всесоюз. симпоз. «Малоцикловая усталость элементов конструкций». Вильнюс: РИСО ЛитССР, 1979, вып. 2.

Некоторой особенностью кинетики деформаций при рассматриваемом режиме двухчастотного нагружения является незначительное снижение сопротивления активному деформированию в полуциклах сжатия по сравнению с полуциклами растяжения, которое выражается в увеличении в последних пластической деформации при активном нагружении б, < ба. Тем не менее общее одностороннее накопление происходит в сторону растяжения за счет более интенсивного накопления деформаций ползучести в процессе наложения сга2 в полуциклах растяжения, чем в полуциклах сжатия ет > е*, в результате чего и оказывается, что

Влияние частоты наложенных деформаций и, что не менее важно, скорости нагружения в условиях двухчастотного нагружения может быть проиллюстрировано на примере сопоставления рассмотренных выше результатов п экспериментальных данных, полученных при двухчастотном нагруженной этой же стали с формой циклов, представленной на рис. 4.19, в, когда частота низкочастотного нагружения (включая время выдержек), температура, а также уровни максимальных и высокочастотных напряжений оставались прежними, а частота а„2 составляла /2 = 30 Гц. что соответствовало соотношению частот /2/Д = 18 000. Характер развития деформаций в этих условиях показан на рис. 4.27. Важно, что их кинетика в основном подобна изменению соответствующих характеристик при нагружении с меньшим соотношением частот (см. рис. 4.25). Как и в последнем случае, полная ширина петли гистерезиса б^ после уменьшения в первые циклы нагружения вследствие упрочнения материала в дальнейшем несколько стабилизируется, а затем начинает увеличиваться (рис. 4.27, и), но интенсивность разупрочнения материала в этом случае существенно ниже, чем при нагружении с/2/Д = 80. Активная же составляющая циклической пластической деформации 6^ вплоть до разрушения остается на установившемся уровне для всех исследованных напряжений. В связи с этим увеличение с числом циклов полной ширины петли следует отнести за счет деформации циклической ползучести е^\ которая также непрерывно увеличивается после начальной стадии пагружения (рис. 4.27, б). Если сравнить ее абсолютные значения для одних и тех же уровней максимальных напряжений двухчастотного нагружения при УУ/1 = 18 000 и /2//! = 80 с нагруженном по трапецеидальной форме циклов, принимая во внимание при этом закономерности взаимосвязи диаграмм циклического деформирования по про-

достаточно удовлетворительное. При переходе к двухчастотному нагружению с наложением аа2 = 6,5 кгс/мм2 лишь в полуциклах растяжения, а также в полуциклах растяжения и сжатия рассматриваемые кривые (см. рис. 4.30) располагаются существенно ниже, и их показатели степени соответственно (тпд-)' и (тт,)" для различных полуциклов имеют меньшие значения (см. табл. 4.1). Отношение между экспериментальными значениями показателя (гп^з одночастотного и (mi,)', (m[-)" для исследованных режимов двухчастотного нагружения, за исключением первых полуциклов

условий двухчастотного нагружения его можно считать постоянным.

В связи с этим для рассматриваемых режимов и условий двухчастотного нагружения представляется возможным предварительную оценку изменения сопротивления деформированию материала производить по данным для одночастотного нагружения с учетом указанных выше особенностей изменения модуля циклического

С целью сопоставления закономерностей развития деформаций при двухчастотном нагружении в условиях комнатной и повышенных температур на рис. 4.31 приведены экспериментальные данные по двухчастотному мягкому нагружению при комнатной температуре стали 12Х2МФА, которая как в указанных условиях, так и при повышенных температурах является циклически разу-прочняющимся материалом. Режим двухчастотного нагружения в этом случае соответствовал форме цикла, представленной на рис. 4.19, б при соотношении частот /,/Д = 40, а амплитуда наложенных напряжений составляла сга2 = 14 кгс/мм2. В качестве переменного параметра в этой серии испытаний, как и ранее, принималась амплитуда максимальных напряжений цикла о*„. Из этих данных видно, что при действии в течение выдержки наложенных напряжений полная ширина петли пластического гистерезиса увеличивается по сравнению с одночастотным нагруженном при равных амплитудах максимальных напряжений (рис. 4.31, а). При этом характер разупрочнения материала для обоих режимов сохраняется. Если проанализировать в этом же аспекте величины и кинетику активных составляющих циклической пластической деформации 6а, то видно (рис. 4.31, в), что они практически равны и характер их изменения одинаков, а увеличение полной циклической пластической деформации при двухчастотном нагружении целиком обусловливается, как ив высокотемпературных экспериментах на стали Х18Н10Т (см. рис. 4.25), наличием допол-

условиях m0 = 0,16, а для двухчастотного нагружения с eaz = = 0,035% — mi = 0,19 и еа2 = 0,07% - тй = 0,22, что свидетельствует об увеличении этого параметра с ростом амплитуды высокочастотной деформации.

Распространение этого расчета на последующие полуциклы нагружения требует определения в условиях двухчастотного нагружения параметров функции F (k) согласно уравнениям (4.14) или (4.15). Для исходного периода упрочнения стали Х18Н10Т в первых полуциклах, когда функция F (k) принимается в форме уравнения (4.15), величина параметра В( для одно-частотного нагружения согласно экспериментальным данным составила В1 = 0,53, а для двухчастотного нагружения с eaz = = 0,035% — В' = 0,28 и с eaz = 0,07% — В1 = 0,12. С учетом этих данных и уравнения (4.22) расчет кинетики модуля циклического упрочнения в рассматриваемый период нагружения дает кривые, показанные на рис. 4.36, б для различных уровней амплитуды высокочастотной деформации, удовлетворительно согласующиеся с обозначенными точками экспериментальными данными.

Представление об интерференции волн напряжений, возникающих в образце, позволило объяснить результаты некоторых усталостных испытаний. Суммирование колебаний различных частот и ам- . плитуд является причиной перегрузки отдельных объемов .материала образца и зарождения первичных субмикросколических трещин при переменном 'нагружении. Снижению сопротивления усталости стали при двухчастотном нагружении способствует локализация пластической деформации и более интенсивное накопление искажений кристаллической решетки, а также ускоренное распространение усталостных трещин.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЦИКЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДВУХЧАСТОТНОМ НАГРУЖЕНИИ

Действительно электронно-микроскопические исследования показывают, что при 450° С при всех видах нагружения формируется «решетчатая» структура (рис. 4), причем степень завершенности развития последней зависит от формы цикла. Как видно из рис. 4, при амплитуде напряжения оа=39,2 кгс/мм2 к моменту разрушения в условиях одночастотного нагружения «решетчатая» структура оказалась еще не полностью завершенной (рис. 4, а), в то время как при нагружении с временными выдержками имела место уже сформировавшаяся «решетчатая» структура (рис. 4, б). При двухчастотном нагружении, когда, как было указано выше, имело место интенсивное образование новой фазы (рис. 4, в), заметного формирования «решетчатой» структуры не наблюдалось, а происходили дробление и коагуляция карбидов.

2. А. Н. Романов, М. М. Гаденин. Сопротивление малоцикловому изотермическому деформированию и разрушению при двухчастотном нагружении. Материалы Всесоюзного симпозиума по малоцикловой усталости при повышенных температурах. Челябинск, Челябинский политехнический институт, 1974.

Исследованию подвергалась широко используемая в машиностроении аустенитпая сталь Х18Н10Т стандартного состава (предварительная обработка заключалась в закалке с 1050° С в воду). Трубчатые образцы диаметром 20 мм и толщиной стенки 1,5 мм испытывались в вакууме на малоцикловую усталость при 450° С при одночастотном (1 цикл/мин) и двухчастотном знакопеременном нагружении по схеме растяжение — сжатие, а также с выдержками 5 мин при максимальной нагрузке. При двухчастотном нагружении накладывалась вторая частота 10 цикл/мин с амплитудой 6,5 кгс/мм2. Амплитуда нагружения составляла 34,4, 37 и 39,2 кгс/мм2 для всех видов пагружения. Зону разрушения изучали по методу пластикоугольных двухступенчатых реплик с разрешающей способностью 200 А.

A. Н. Романов, М. М. Гаденин, В. М. Юнин. Методика высокотемпературных исследований циклических характеристик материалов при двухчастотном нагружении........... 15

Проведено фрактографическое исследование образцов стали Х18Н10Т при одно- и двухчастотном нагружении и при нагружении с временными выдержками в условиях малоциклового деформирования при 450° С. Показано, что размер впадин на изломе и величина карбидов в зоне разрушения зависят от количества вязкой составляющей.

Непосредственное слежение за изменением напряжений может осуществляться с помощью устройств, предназначенных для программных испытаний, однако в весьма ограниченных масштабах в связи с необходимостью синхронной -работы возбудителя и программирующего устройства. Кулачковые механизмы также не могут быть рекомендованы, так как их применение в значительной степени снижает производительность оборудования, и, что очень существенно, с помощью вращающегося кулачка можно воспроизвести только один какой-либо закон изменения напряжений и лишь с малым числом , экстремумов в одном периоде. Поэтому нашел распространение второй метод воспроизведения бигармони-ческих нагрузок — возбуждение и суммирование синусоидальных составляющих. Этот метод был положен в основу создания первой бигармониче-ской машины для испытания на усталость материалов при двухчастотном нагружении с соотношением частот гармонических составляющих 2:1; 3:1 и 3 : 2 [3].

§ 3. Закономерности мэлоииклового деформирования при двухчастотном нагружении

Рис. 4.24. Кинетика циклической и односторонне накопленной пластической деформации при мягком двухчастотном нагружении стали Х18Н10Т (450° С)

-i- 0,30. Соотношение частот действующих напряжений, зависящее от времени выдержки, которое в этой серии испытаний, как и для трапецеидального цикла, составляло 5 мин, было равно /г/1 = 80. Из полученных данных видно, что в сравнении с аналогичными данными для одночастотного нагружения (см. рис. 4.8. а) наличие высокочастотной составляющей при одних и тех же уровнях амплитуд максимальных напряжений уменьшает циклическую пластическую деформацию на 30—40%, что, по-видимому, связано со стимулированием высокочастотной составляющей циклической деформации процесса деформационного старения, и при этом не однозначно сказывается на упрочнении и разупрочнении материала. Так, при а„ = 34,4 кгс/мм2 величина бЛ со среднего значения при одночастотном нагружении 0,9 —1.0% уменьшается до 0,6%, а период упрочнения увеличивается с n/N = 0,03 до n/N = 0,25. Повышение максимальных напряжений до аа = = 37,0 ч- 39,2 кгс/мм2 также уменьшает при двухчастотном режиме среднюю величину 6(*> с 1,5 до 1,0%, но интенсивность разупрочнения материала при дальнейшем нагружении повышается. Характер одностороннего накопления пластической деформации е^ в рассматриваемых условиях также изменяется. Если при одночастотном нагружении величина е^ на протяжении почти всей долговечности остается на уровне деформации, накопленной при исходном нагружении, то при двухчастотном режиме для всех исследованных уровней амплитуд напряжений обнаруживается склонность материала к одностороннему накоплению е^. Величина деформации циклической ползучести ет, накапливаемая в процессе выдержек, в рассматриваемых условиях оказалась малой, по-видимому, из-за слабого проявления в материале при этой температуре температурно-временных эффектов. Влияние накопленных деформаций при этом проявляется лишь в изменении характера сопротивления деформированию, что выражается в уменьшении циклической пластической деформации и в увеличении односторонне накопленной деформации, а также в более интенсивном протекании процессов упрочнения и разупрочнения соответственно на начальной и завершающей стадиях нагружения. Повышение температуры испытаний до 650° С коренным образом, как и при нагружении с треугольной и трапецеидальной формами циклов, изменяет кинетику деформаций. Это также связано с активизацией в этих условиях процессов ползучести и деформационного старения. На рис. 4.25 приведены данные по кинетике деформаций, полученные при двухчастотном нагружении (650° С), как и для t = 450° С по режиму, представленному на рис. 4.20, б. Амплитуда максимальных напряжений ста при этом была изменяемым параметром, а амплитуда наложенных напряжений сохранялась постоянной и составляла ст„2 = 6,5 кгс/мм2. Тем самым охватывался диапазон соотношений амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих aa2/(ial от 0,57 до 0,30, а соотношение частот при времени выдержки 5 мин и времени низкочастотного цикла 11 мин составляло /2//i = 80.