Малоцикловые разрушения

При этом различают малоцикловые испытания с трапе-циодальной формой цикла (рис. 6.5, а и в) и треугольной формой цикла (рис. 6.5, б и г). Общий вклад на степень ме-ханохимической повреждаемости эффекта цикличности на-

3.3. Малоцикловые испытания

Малоцикловые испытания проведены на плоских образцах (рис. 3.8) с поперечным швов, выполненным электродами У ОНИ-13/55. В качестве материала образцов использовали листовой прокат из стали 17ПС толщиной 12 мм. Было изготовлено 3 серии образцов: 1 - основной металл; 2 - сварной шов без смещения кромок; 3 - сварной шов со смещением кромок (рис. 3.9).

3.3. Малоцикловые испытания.............................. 68

Двойственный характер влияния покрытия на разрушение образцов был отмечен в работах, осуществленных в Физико-механическом институте АН УССР им. Г. В. Карпенко [11, 56]. Малоцикловые испытания проводились на плоских образцах из технического железа сечением 1,5.Х2 и длиной 20 мм. Покрытия из порошков вольфрама, молибдена и никеля наносили на плазменной установке. В качестве схемы нагружения был выбран чистый изгиб. Часть образцов с покрытием подвергали диффузионному отжигу. У этих образцов наблюдалось наибольшее снижение малоцйкловой прочности, что объясняется образованием хрупких переходных слоев. Малоцикловая прочность образцов с плазменными тонкими покрытиями (без отжига) практически не отличается от таковой для контрольных (без покрытия). Результаты микроскопических исследований на поперечных шлифах показали, что усталостное разрушение начинается во всех случаях с поверхности образцов. Микротрещины зарождают-

Малоцикловые испытания проведены на машине Инстрон, а многоцикловое нагружение осуществлено на стенде ЦДМ-10ПУ. Результаты выполненных испытаний образцов представлены в табл. 10.4.

вогидравлическими точными машинами, предназначенными для проведения статических и динамических испытаний. Можно проводить статические испытания на растяжение и сжатие, усталостные исгш-тания при высокой и низкой частоте (малоцикловые испытания), при постоянной амплитуде, а также моделировать действительные нагрузки, проводить испытания на ползучесть и, кроме того, комплекс испытаний, связанных с исследованием механики разрушения и определением вязкости разрушения и раскрытия трещин.

Базовыми экспериментами при использовании деформационно-кинетических критериев в форме (1.1.10)—(1.1.12) являются малоцикловые испытания при жестком нагружении и статический разрыв, проводимые с целью построения кривой малоциклового усталостного разрушения и определения располагаемой пластичности

Вместе с тем в реальных условиях работы элементов конструкции могут существовать более сложные условия изотермического и неизотермического малоциклового нагружения. Существенный интерес представляет экспериментальное исследование закономерностей деформирования при типах малоциклового нагружения, отличающихся от рассмотренных ранее режимов нагружения, близких к простому. Практический интерес представляют, например, малоцикловые испытания при наличии компоненты нагружения, неизменной во время циклических испытаний, либо проведение малоцикловых нагружении при переменных температурах. При этом важным представляется экспериментальное обоснование применимости деформационной теории пластичности с оценкой точности расчетов при ее использовании для указанных типов сложных малоцикловых режимов нагружении.

г) длительные малоцикловые испытания при длительном мяг-

Малоцикловые испытания при постоянных и переменных температурах в условиях жесткого нагружения проведены на программных испытательных установках, оснащенных системами воспроизведения различных режимов термо механического нагружения и регистрации диаграмм неизотермического упругопластического деформирования образца. Методика таких испытаний изложена в ряде руководств и монографий [ 1, 2,8].

При этом предполагается, что в зонах концентрации напряжений, где, как правило, происходят малоцикловые разрушения, накапливаются в основном усталостные повреждения в результате действия знакопеременных упругопластических деформаций. Вместе с тем в эксплуатационных условиях в результате работы конструкции на нестационарных режимах, в том числе при наличии перегрузок, возможно накопление односторонних деформаций, определяющих степень квазистатического повреждения и влияющих на достижение предельных состояний по разрушению. Для обоснования методологии учета накопления конструкцией (наряду с усталостными) квазистатических повреждений по результатам тензометрических измерений требуется решение прежде всего вопросов расшифровки показаний датчиков с целью воспроизведения истории нагруженности в максимально напряженных местах конструкции и оценки малоциклового повреждения для эксплуатационного контроля по состоянию. Малоцикловое повреждение может в общем случае оцениваться по результатам измерений, выполненных обычными тензорезисторами, но с расширенным диапазоном регистрируемых деформаций (до величин порядка нескольких процентов), характерных для малоцикловой области нагружений. Исследование [20] выполнялось в Московском инженерно-строительном институте и Институте машиноведения на базе разработанных в лаборатории автоматизации экспериментальных исследований МИСИ специальных малобазных тен-зорезисторов больших циклических деформаций. Аппаратура и методика эксперимента подробно описаны в [229]. На серийной испытательной установке УМЭ-10Т с тензометрическим измерением усилий и деформаций, а также крупномасштабным диаграммным прибором осуществлялось циклическое нагружение цилиндрических гладких образцов по заданному и, в частности, нестационарному режиму. Одновременно соответствующей автоматической аппаратурой производилась регистрация истории нагружения с помощью цепочек малобазных тензорезисторов, наклеенных на испытываемый образец. Сопоставление показаний тензорезисторов с действительной историей нагружения и деформирования образца, регистрировавшихся соответствующими системами испытательной установки УМЭ-10Т, давало возможность определить метрологические характеристики датчиков и особенности их повреждения в условиях малоциклового нагружения за пределами упругости. Наиболее существенными особенностями работы тензорезисторов в условиях малоциклового нагружения оказываются изменение коэффициента тензочувствительности при высоких уровнях исходной деформации и в процессе набора циклов нагружения, уход нуля тензорезисторов и их разрушение через определенное для каждого уровня размаха деформаций число циклов.

С учетом отмеченных особенностей варьирование долей усталостного и квазистатического повреждений осуществляли путем изменения продолжительности выдержки при максимальной температуре цикла или жесткости нагружения. При этом малоцикловые разрушения реализовывались в достаточно широком диапазоне чисел циклов нагружения (до 6-103).

Погрешности изготовления и сборки могут существенно влиять на долговечность конструктивных элементов, вызывая в ряде случаев малоцикловые разрушения.

и получения распределений номинальных (0^, еэп) и местных (Omax, efnax) напряжений и деформаций при различных режимах эксплуатации (t3, тэ, ./V3). В связи с тем что малоцикловые разрушения при N3 <^ 103 -т- Ю4 сопровождаются образованием упругопластических деформаций в зонах наибольшей нагружен-ности, существенно зависящих от эксплуатационных нагрузок и сопротивления неупругому деформированию, анализ прочности и ресурса должен осуществляться не в местных напряжениях, а в местных деформациях. При этом основными параметрами деформированных состояний оказываются амплитудные значения местных деформаций е'таха и коэффициенты асимметрии цикла деформаций г*. Величины бтаха и г для данных эксплуатационных нагрузок Рэ, Q3 с учетом (1.1) зависят от неоднородности рас-

Как отмечалось выше, малоцикловые разрушения в резьбовых соединениях происходят либо по поперечным сечениям резьбовой части стержня соединения с крупными шагами, либо посредством последовательного среза витков резьбы (соединения с мелкими шагами). Наблюдаются и случаи переходных видов, когда при срезе отдельных витков окончательное разрушение происходит по поперечному сечению. Из анализа несущей способности резьбовых соединений М20, выполненных с шагом резьбы, равным 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5 мм, следует, что наибольшая долговечность (при том же значении амплитуды напряжений) достигается для соединений М20 X 2,0 и М20 X 1,5. При этом реализуются различные виды разрушения.

С учетом отмеченных особенностей варьирование долей усталостного и квазистатического повреждений осуществляли путем изменения продолжительности выдержки при максимальной температуре цикла или жесткости нагружения. При этом малоцикловые разрушения реализовывались в достаточно широком диапазоне чисел циклов нагружения (до 6-103).

Погрешности изготовления и сборки могут существенно влиять на долговечность конструктивных элементов, вызывая в ряде случаев малоцикловые разрушения.

Явления малоцикловой усталости могут быть обусловлены внешними механическими воздействиями (давление, нагрузка и т. д.) или термическими эффектами вследствие появления температурных градиентов, различия физико-механических свойств материалов и т. д. при повторном изменении режимов работы оборудования. Малоцикловые разрушения, когда процесс формирования предельных повреждений определяется в основном действием циклических температурных напряжений, называют разрушениями от термической малоцикловой усталости. Это частный случай неизотермического малоциклового разрушения, которое может возникать в результате как механического неизотермического, так и термоусталостного малоциклового нагружения.

Характерно, что малоцикловые повреждения развиваются, как правило, в зонах концентрации напряжений (рис. 1.2): около отверстий, в вершине углового шва, в замковом соединении и отверстий дисков турбомашин [5, 100]. В типичных зонах концентрации напряжений при допускаемых современными методами расчета на прочность номинальных напряжениях развиваются значительные местные упругие и необратимые деформации. Сочетание механического и интенсивного теплового нагружений (Г=200...1000°С) приводит к образованию трещин. При интенсивном тепловом воздействии малоцикловые разрушения имеют вид сетки термоусталостных трещин, например, в элементах проточной части авиадвигателя (рабочие и сопловые лопатки, камеры сгорания, элементы форсажной камеры и др.) [10, 75, 100], в элементах конструкций тепловой энергетики [109, 112] и технологическом оборудовании [99, 110].

режиме термоциклического нагружения отмечались малоцикловые разрушения, в виде макротрещин в пазах диска за малое число циклов (10...15). Теоретический анализ (43, 44] напряженно-деформированного состояния диска показал, что материал диска в значительных объемах подвержен циклическому малоцикловому неизотермическому деформированию, а в зонах концентрации (галтель елочного паза) развиваются значительные циклические упруго-пластические деформации (е=1,65%; 8Р=1,0%), при этом Ке= 14; аа=1,7. Расчетная оценка малоцикловой долговечности диска подтверждается экспериментом.

Квазистатические малоцикловые разрушения сопровождаются накоплением односторонних деформаций, значения которых близки к разрушающим деформациям при статическом (монотонном) или длительном статическом разрыве. Усталостные малоцикловые разрушения происходят при отсутствии односторонне накопленных деформаций при образовании в ходе циклических нагружений одной или нескольких трещин усталостного характера. В условиях малоциклового разрушения переходного характера процессы роста трещин усталости и развития односторонних деформаций идут одновременно, в зоне разрушения возможно появление трещин на фоне значительных односторонних деформаций.