Изотермической обработке

Получили развитие и соответствующие методы исследования закономерностей изотермической малоцикловой и термической усталости при сложном (плоском) напряженном состоянии [58, 78].

Линейная зависимость такого же типа, но в пластических деформациях, для изотермической малоцикловой усталости была впервые предложена Мэнсоном, уточнена (в отношении постоянных k и С] Коффиным [88] и рекомендована для термической усталости:

особенности приведенных кривых. Величина напряжений сжатия, обусловленная нагревом в первом цикле (или — по терминологии изотермической малоцикловой усталости — в нулевом лолуцикле), максимальна по отношению к следующим циклам (о=—600 МПа). Это объясняется тем, что в первом цикле напряжения определяются полной разностью температуры в цикле A/=4iax—tfrnin, в то время как во всех последующих циклах часть этой разности расходуется на уменьшение остаточных напряжений другого знака, возникших в предыдущем дикле вследствие деформирования в пластической области.

В этом разделе в краткой форме изложены основные методы оценки прочности при изотермическом малоцикловом нагруже-нин, поскольку часто пытаются применить эти критерии и для случая неизотермического циклического на*ружения—-термической усталости. В дальнейшем будет рассмотрена возможность их использования в этом случае. Подробный анализ явления изотермической малоцикловой усталости и соответствующие критерии прочности изложены в работах [47, 50] и др.; там же приведен обзор литературы. Здесь упомянуты лишь те рабэты, результаты которых могут быть непосредственно использованы для оценки термоциклической прочности.

В уравнениях изотермической малоцикловой усталости, записанных выше, влияние температуры учтено тем, что основные механические характеристики (ав, <т-ь е0ст, ij>, E и др.) определяют при соответствующей температуре. Другим фактором, наиболее влияющим на сопротивление материала малоцикловому

где eta — теоретический коэффициент концентрации напряжений. Из приведенных выше расчетных уравнений наибольшее распространение для оценки долговечности при изотермической малоцикловой усталости получили зависимости (5.2), (5.17) — (5.20), (5.22), (5.24), (5.28) — (5.32). Другие зависимости, основанные, например, на энергетических критериях прочности, имеют в ряде случаев не меньшие основания для применения; но соответствующие уравнения включают ряд постоянных, интегрально зависящих от многих факторов и поэтому обычно трудно определяемых. Однако следует указать, что и в тех уравнениях, которые используют для расчета, далеко не всегда удается

Условие разрушения материала при неизотермическом циклическом нагружении по аналогии с изотермической малоцикловой усталостью [уравнение (5.26)] можно записать в виде

следует учесть в условии разрушения, поскольку при этом ресурс пластичности существенно сокращается. Для изотермической малоцикловой усталости Эдмунде и Уайт предложили считать предельной величиной деформацию при длительном статическом нагруженни

Значение температуры, при котором рекомендуется проводить изотермическое нагружение, выбирают равным средней температуре термоцикла либо подсчитывают по эквивалентному повреждению в циклах с постоянной и переменной температурой на основе закона линейного суммирования. Однако сопоставление результатов по малоцикловой усталости, полученных с изменяющейся и с постоянной температурой ([47, 93] и др.), как правило, показывает, что термоусталостное нагружение является более повреждающим (имеются в виду испытания без выдержки при максимальной температуре цикла); в случае неизотермического нагружения не происходит восстановления свойств материала, поврежденного в полуцикле с максимальной температурой. В случае изотермической малоцикловой усталости та-

Второй член этого уравнения учитывает статическое повреждение, возникающее одновременно с циклическим и выражающееся в формоизменении детали или испытуемого образца. Уравнение (5.51) в области изотермической малоцикловой усталости называют деформационно-кинетическим критерием [86]. При использовании этого уравнения для случая неизотермического нагружения исходные свойства 'материала (долговечность Л/р, определенная в условиях строго жесткого нагружения, и предельная пластичность е/, определенная в условиях статического нагружения) должны быть получены при циклически изменяющейся температуре. Режим изменения температуры при определении исходных (базовых) характеристик должен соответствовать условиям работы детали.

Экспериментальные точки располагаются в достаточно узкой области с разбросом в пределах одного порядка по долговечности. Такой разброс считают приемлемым в области изотермической малоцикловой усталости (в частности, по нормам ASME), поскольку рекомендуемый запас по числу циклов в этих нормах nN='20. Уравнение прямой, проведенной по 'Средним значениям долговечности всех исследованных материалов (штрихВуЕктир" ная линия на рис. 76), имеет вид [71] ' ^ ••

Таблица 115. Механические свойства предварительно закаленной в масле и подвергнутой изотермической обработке стали после деформационного старения [103]

кости разрушения. Это явление наблюдается как для образцов, подвергнутых обычной диффузионной изотермической обработке (кривая /, рис. 8.16), так и для горячедеформированных образцов (кривая 2).

Повышению вязкости разрушения стали со структурой бейнита способствует реализация оптимальных режимов регулируемого термопластического упрочнения. Суть этой обработки заключается в создании горячей деформацией с последующей выдержкой мелкозернистой структуры аустенита и образовании субзеренных построений в мелком зерне аустенита за счет окончательной деформации. Анализ диаграммы конструктивной прочности стали со структурой бейнита свидетельствует о том, что с понижением температуры изотермического превращения эффект РТПУ, заключающийся в повышении показателей конструктивной прочности, проявляется более заметно. В диапазоне предела текучести от 1300 до 1900 МПа величина вязкости разрушения стали, обработанной по режиму РТПУ [245], существенно превышает вязкость разрушения образцов, подвергнутых высокотемпературной термомеханич^ской изотермической обработке (ВТМИЗО) и обычной изотермической обработке (ИЗО).

В качестве закалочных сред при изотермической обработке до температур 200° С применяют масло, а выше 200° С — различные смеси расплавленных солей и легкоплавкие металлы (табл. 15).

Работы по изотермической обработке алюминиевых сплавов в дальнейшем продолжались в отечественных научно-исследовательских институтах.

Принципиального различия в кинетике старения при изотермической и обычной термической обработки нет. Наблюдается лишь некоторое различие во времени выделения первой и второй упрочняющих фаз. Так, при обычной термической обработке выделение второй упрочняющей фазы (Mg2Si) идет сейчас же после начала выделения первой фазы (Si), вследствие чего на кривой изменения механических свойств во время старения образуется только один максимум. При изотермической обработке выделение первой упрочняющей фазы происходит быстрее, а вторая упрочняющая фаза выделяется позднее и на кривой механических свойств образуются два ясно выраженных максимума (рис. 2).

Пружинную (канатную) проволоку из стали, содержащей 0,65—0,9 % С, перед холодным волочением подвергают изотермической обработке — патентированию. Для патентирования проволоку подвергают высокотемпературной аустенитизации для

Миграция границ зерен, сопровождающаяся коалесцен-цией избыточной фазы, может происходить и без отрыва границы от включений. В этом случае формируются пластиночные и стержневые структуры, имеющие много общего с продуктами колониального распада пересыщенного твердого раствора. Экспериментально такой вид коалесценции наблюдали при изотермической обработке сплавов ЭИ702 [225] и Си — Ti.

В кадмии и свинце, содержащих эвтектические добавки, поры образуются и при изотермической обработке, если

температура ее достаточно высока, чтобы происходило оплавление [249]. Как и при термоциклировании, поры образуются преимущественно на границах зерен. Появление пор в результате одного цикла — нагрева и охлаждения,— по-видимому, связано с различием удельных объемов фаз при изменении агрегатного состояния. Авторы [249] предполагают, что при охлаждении не происходит сближения зерен, которое могло бы скомпенсировать разность объемов фаз до и после оплавления. Поскольку в сплавах кадмия рост объема при изотермической обработке больше, чем следовало ожидать из данных об объемном эффекте плавления, в работах [211, 249] указан еще один механизм увеличения объема — развитие пористости вследствие релаксации термоструктурных напряжений.

При анализе механизма порообразования при изотермической обработке и термоциклировании кадмия с легкоплавкими примесями авторы работ [210, 255] исходят из следующего. При резкой смене температуры благодаря анизотропии термического расширения кадмия в образцах возникают высокие термоструктурные напряжения, которые могут релаксировать путем миграции границ и межзерен-ного проскальзывания. Присутствующие на границах зерен поры и жидкость задерживают миграцию границ и вклад ее в релаксационные процессы при этом уменьшается. В этих условиях релаксация осуществляется в основном благодаря проскальзыванию вдоль границ зерен. Задержка проскальзывания, например, в местах стыка трех зерен вызывает концентрацию растягивающих напряжений, что должно приводить к образованию несплошностей. В соответствии с наблюдениями [210—212], поры и трещины образуются преимущественно в местах стыка трех зерен. Как и при изотермической обработке, причиной образования пор во время термоциклирования может явиться различие удельных объемов фаз до и после оплавления [255]. Однако этот фактор существенной роли не играл, поскольку многократное чередование процессов плавления и кристаллизации (термоциклы по режиму 280 ч=ь 300° С) мало сказывалось на изменении удельного объема образцов.