Изотермического нагружения

При циклическом нагружении методологической основой оценки поврежденности колонны служат гипотезы о накоплении повреждений. К настоящему времени обширные теоретические и экспериментальные исследования в области мало- и многоцикловой усталости привели к разработке большого числа специальных методов, реализующих концепцию накопления повреждений. Поскольку для сосудов давления число циклов нагружения в течение срока службы обычно не превышает 5-Ю5 (верхний предел для области малоцик-лозой усталости по ГОСТ 25 859-83), интерес представляют гипотезы, рассматривающие именно эту область усталостного разрушения. Общий обзор работ, посвященных методам суммирования повреждений как в случае изотермического малоциклового нагружения, так и при термоциклической усталости, дан в [60].

На рис. 32 приведены примеры изменения размаха напряжений по числу циклов, при этом выбраны три наиболее характерных вида зависимостей. На рис. 32,а наблюдается стабилизация процесса изменения размаха напряжений с первых циклов нагружения. Уменьшение значений ACT, т. е. процесс разупрочнения, происходит лишь при больших значениях числа циклов. (Af>103). Материалы, имеющие такой характер изменения напряжений по числу циклов, называют циклически стабильными. При однократном изменении характера процесса (рис. 32,6) упрочнение (возрастание Да) сменяется разупрочнением во второй половине срока службы. В анализе изотермического малоциклового нагружения этот случай не рассматривают, материалы классифицируют лишь как циклически стабильные, циклически упрочняющиеся и разупрочняющие. Смена процессов упрочнения и разупрочнения может быть и неоднократной (рис. 32,в). Уменьшение Да в случаях, показанных на рис. 32,а и б„ можно объяснить появлением трещин и уменьшением жесткости' образца, но зависимость на рис. 32,в (уменьшение Дст сменяется увеличением размаха напряжений) подтверждает особенности термоциклического неизотермического нагружения и его влия-

Поскольку взаимное влияние циклического и статического повреждений, в особенности при повышенных температурах, оказалось существенно больше, чем это следует из правила простого линейного суммирования (5.22), то Вудом [101] и С. В. Серенсеном [97] для изотермического малоциклового на-гружения предложена степенная зависимость

Исследования на более широком круге материалов, особенно при высоких максимальных температурах цикла (800—1100°С), показали, что значение показателя т может существенно отличаться от величины 0,5 (см. табл. 4); постоянную С также во многих случаях нельзя непосредственно определить через исходную пластичность материала. В случае изотермического малоциклового натружения, как показано в п. 19, это привело к созданию двучленных уравнений типа «универсальной» зависимости Мэнсона.

Критерии, учитывающие частоту нагружения (длительность термоцикла). Для изотермического малоциклового нагружения Эккель предложил учитывать влияние частоты нагружения использованием зависимости

Режимы эксплуатации деталей машин, подверженных действию термоциклов, обычно таковы, что возникающие термические напряжения действуют более или менее продолжительное время. Для области изотермического малоциклового нагружения были предложены различные формы суммирования статического и циклического повреждений.

Рассмотрим возможность применения основных зависимостей, предложенных для изотермического малоциклового нагру-жения, к случаю термической усталости.

Расчетное уравнение долговечности, основанное на деформационно-кинетическом критерии, предложенном для изотермического малоциклового нагружения, имеет вид [85]

Режимы неизотермического (как и изотермического) малоциклового нагружения подразделяют на жесткий, мягкий и промежуточный. При этом первые два режима принимают в качестве базовых для характеристики циклических деформационных и прочностных свойств материалов.

При циклическом упругопластическом деформировании в условиях ползучести на этапе выдержки (длительностью тв) при высокой температуре t , например, в k -м полуцикле 1-2-3-4 (см. рис. 2.38, а) изотермического малоциклового нагружения (по схеме на рис. 2.38, б) , для определения необратимых деформаций е№) и е№ используют изохронные кривые циклического деформирования (рис. 2.38, д). Здесь изохронная кривая для времени т = 0 является изоцикличес-кой кривой для fc-ro полуцикла (см. рис. 2.38, г), остальные кривые (для времени т0, тг, т2, т3) могут быть получены на основании гипотезы об отсутствии взаимного влияния пластической деформации е^ и деформации е^ ползучести из базовой с использованием статических изохронных кривых деформирования (см. рис. 2.38, в). Такое представление процесса циклического упругопластического деформирования с учетом временных эффектов основано на подобии двух составляющих необратимой деформации в уравнении (2.98), а также на том факте, что изохронные и изоциклические кривые связаны при высоких температурах с диаграммой статического деформирования.

Расчет упругопластических деформаций для изотермического малоциклового нагружения с помощью данной модели упрощается, так как используется одна статическая диаграмма деформирования для температуры t процесса нагружения. При этом разгрузке на участках 3 — 4-5 и 7-8—9 (см. рис. 2.39, в) соответствует прямая (модуль упругости Е(), циклический предел текучести

напряжения и температуры деформация определяется соответствующей кривой изотермического деформирования. При этом предполагается, что режимы нагружения и нагрева, а также форма диаграмм деформирования при различных температурах в процессе возрастания нагрузок соответствуют увеличению пластических деформаций. Поверхность не изотермического нагружения трансформируется с числом циклов нагружений в соответствии с закономерностями поциклового изменения обобщенной диаграммы деформирования.

Принятая гипотеза поверхности неизотермического нагружения требует экспериментальной проверки прежде всего для контрастных режимов нагрева в области температур и длительностей деформирования, сопровождающихся эффектами времени.

в работе [308] на основе введения эквивалентных неизотермическому по температурам и временам деформирования режимов изотермического нагружения:

В связи с этим рассмотрим теорию неизотермического пластического деформирования в формулировке [27, 28] для описания неизотермического нагружения.

Различие постоянных а и k для кривых, построенных в разных условиях нагружения (при t= const и t—var), существенно. Так, для 01=450 МПа k=3 и а=0,75 для изотермического нагружения; k = 4 и а=1(55 для неизотермического нагружения.

Выводы были сделаны на основании испытания коррозионно-стойкой стали 347 при изменении температуры цикла от tmin— = 50ч-100°С до /шах = 500-^650°С. Позднее Мэнсон рекомендовал учитывать упругую составляющую Аее при построении «универсальной» зависимости для изотермического нагружения:

Критерий термоусталостной прочности в деформационном выражении можно записать и для асимметричного нагружения. По Заксу и Марину для изотермического нагружения следует исходную пластичность уменьшить на долю пластической деформации, которая создается дополнительной механической нагрузкой ат, вызывающей асимметрию цикла. Используя подобный подход, можно уравнение (5.44) для асимметричного неизотермического нагружения представить в виде

В тех случаях, когда характер термонагружения обусловливает одновременное накопление циклического и статического повреждения, необходимо учитывать оба вида повреждений, суммируя их определенным образом. С. В. Сервисен и Д. Вуд влервые указали на нецелесообразность применения линейного закона суммирования относительных долей повреждения во временном выражении для случая изотермического нагружения. Для неизотермического термоциклического нагружения оказывается справедливым степенной закон суммирования относительных долей повреждения в виде а"+а^='1, при этом коэффициенты а и р не зависят, от уровня нагрузки. Кривые предельного состояния в координатах ат—aN имеют вид гипербол, показывающих весьма существенное взаимное влияние одного вида нагружения на другой. Расчетные уравнения, построенные на основе степенного суммирования относительных долей повреждения, позволяют определить долговечность при нагружении детали термическими циклами произвольной формы. Приведенные в гл. 7 примеры расчета иллюстрируют это обстоятельство.

ческих условий, в связи с выраженным эффектом формы цикла нагрева необходимо приведение неизотермического цикла к эквивалентному изотермическому. Такое приведение может быть выполнено с привлечением подходов типа [34] на основе введения эквивалентных неизотермическому по температурам и временам деформирования режимов изотермического нагружения

Расчетное исследование применения дифференциальной теории к описанию неизотермического нагружения

Поверхность нагружения по параметру числа полуциклов образуется семейством диаграмм деформирования, полученных при постоянной температуре. В данный момент времени для заданного напряжения и температуры деформация определяется соответствующей кривой изотермического нагружения (рис. 1.15). При этом считают, что режимы термомеханического нагружения, а также форма диаграмм деформирования при различных температурах в процессе увеличения