Малоцикловое разрушение

Допускается принимать пст - 1,0. ' Малоцикловое нагружение.

Малоцикловое нагружение и коррозия.

Многие сосуды и аппараты в процессе эксплуатации испытывают малоцикловое нагружение. При одновременном действии коррозионно-активных рабочих сред и переменных во времени нагрузок процессы разрушения металлов заметно ускоряются. Ниже дана методика оценки остаточного ресурса элементов оборудования при малоцикловом нагружении. Вначале рассмотрим случай, когда контролирующим параметром циклического нагружения является заданная деформация (жесткое нагружение). Характерное поцикловое изменение деформаций и напряжений в образце в условиях коррозионного воздействия рабочих сред показано на рис. 3.1. Характер изменения напряжений зависит от циклических характерно гик стали. Для циклически упрочняющихся сталей отмечается поцикловой поп напряжений (до определенной наработки),,а для циклически разупроч-няющихся - их снижение (см.рис. 3.1. д). В конструктивных элементах из циклически стабилизирующихся сталей напряжения оч цикла к циклу должны оставаться неизменными, несмотря на коррозионное растворение металла. В образцах из разупрочняющихся сталей наблюдается тенденция снижения цикловых напряжений.

3.3. Малоцикловое нагружение и коррозия

на ювенильных поверхностях в любой среде, содержащей кислороде небольшим количеством гидроксильных ионов. Естественно, что создание условий, при которых происходит нарушение поверхностных защитных оксидных пленок, приводит к возможности проявления высокой химической активности титановых сплавов и к изменению в результате этого их прочности. К числу таких условий прежде всего относится малоцикловое нагружение в коррозионной среде, при котором нарушение защитной пленки в результате циклических деформаций может опережать скорость ее регенерации. Так как скорость регенерации пассивности существенно зависит от состава сплава, его термической обработки, состава и кислотности среды, условий развития трещины, влияние коррозионной среды на малоцикловую долговечность имеет разноплановый характер (см. гл. III). При рассмотрении влияния коррозионной среды на малоцикловую долговечность прежде всего необходимо изучить особенности влияния скорости деформирования и наличия концентраторов напряжений. Исследованиями установлено следующее: для самопассивирующихся сплавов, к которым относятся и титановые, характерно, что максимальной чувствительности к коррозионной среде, переходу металла в активное состояние соответствует вполне определенный электрохимический потенциал. Активному состоянию титановых сплавов, испытываемых в водных растворах, соответствует потенциал (—0,5) -М—0,55 В) [81]. Изменение скорости деформации существенно влияет на величину потенциала.

Малоцикловое нагружение сопровождается развитием общей или местной (в вершине надреза, трещины) пластической деформации, величина и закономерности накопления которой определяют условия перехода к предельному состоянию и контролируют характер разрушения материала (квазистатический, усталостный). Переход к усталостному многоцикловому разрушению сопровождается резким падением интенсивности предельной пластической деформации.

Кроме изложенных выше данных, полученных на аустенитной нержавеющей стали Х18Н10Т при 650° С, в Институте машиноведения выполнена экспериментальная программа в широком диапазоне температур (500—700° С) на стали Х18Н9 того же класса, но с лучшими технологическими свойствами. Проведены испытания на ползучесть, длительную прочность и пластичность, длительное малоцикловое нагружение при жестком и мягком режимах с выдержками (1, 5, 50 и 500 мин). Обработка полученных данных в форме критериальных зависимостей (1.2.8), (1.2.9) подтвердила возможность деформационно-кинетического подхода к оценке

Анализ условий работы показал, что одним из основных факторов, определяющих эксплуатационную надежность металлору-кавов, является малоцикловое нагружение вследствие многократного изгиба. Как правило, осуществляется изгиб с радиусом, превышающим диаметр металлорукава в 5—-40 раз.

/, 2, 6—термоусталостное нагружение (200 з^ 860° С) при выдержке соответственно тв—О; тв*=6 мин и тв=6 мин; 3—неизотермическое малоцикловое нагружение («жесткий» режим); 4, S—изотермическое малоцикловое нагружение («жесткий» режим) соответственно при f-860 и (-200° С

Основным недостатком подобного подхода к оценке долговечности является то, что не учитывают циклическое повреждение материала и с целью упрощения расчетов формально заменяют один вид повреждения другим. Кроме того, полуцикл сжатия заменяют полуциклом растяжения (так как отсутствуют данные по длительной прочности при сжатии), а малоцикловое нагружение весьма чувствительно к изменению знака действующей нагрузки.

Если при температуре 650° С малоцикловое нагружение сопровождается выделением в основном карбидов типа М2зС6, то при 450° С превалирующими являются карбиды титана и в первую очередь карбид TiC.

Нагружение конструкций с числом циклов от Ю2 до Ю4 относится к малоцикловому нагружению [239] и приравнивать его в общем случае к статическому нельзя, особенно если величины действующих номинальных напряжений достаточно высоки и близки к пределу пропорциональности материалов, как это наблюдается в трубах магистральных трубопроводов, уложенных в грунт. В таких условиях в процессе эксплуатации из-за повторных воздействий нагрузки возможно малоцикловое разрушение сварных труб большого диаметра.

Полученные величины коэффициентов концентрации и максимальные деформации в сварных соединениях труб (см.' табл. 3.3.4) показывают, что ответственными за малоцикловое разрушение являются максимальные деформации, возникающие в околошовной зоне, где и наблюдалось образование малоцикловой трещины. Как видно из таблицы, по мере снижения максимальных деформаций долговечность труб увеличивается.

При уровнях внутреннего давления, соответствующих рабочим, в результате повторного действия нагрузки, характерного для условий эксплуатации, возможно малоцикловое разрушение сварных труб в диапазоне числа циклов нагружений 103—2,5-10*. При эхом малоцикловая прочность определяется уровнем местных повторных деформаций, максимальные значения которых возникают в результате отклонений поперечного сечения трубы от правильной геометрической формы из-за наличия валика продольного сварного шва, смещения кромок шва и угловатости, а также овальности трубы.

ния df и ds, в том числе и предельные, когда df = 1 (усталостное малоцикловое разрушение) и ds = 1 (квазистатическое малоцикловое разрушение).

Процессы, обусловливающие малоцикловое разрушение и протекающие в упругопластической области, вызывают в зависимости от условий деформирования и свойств материала одностороннее или циклическое накопление пластических деформаций [45]. Исходя из опыта эксплуатации можно предположить, что для котельных сталей перлитного класса число пусков и остановов до момента страгивания поверхностной трещины и ее интенсивного углубления весьма велико (несколько тысяч циклов). Можно также утверждать, что для барабанов котлов, выполненных из мягкой стали с толщиной стенки около 100 мм, поверхностное растрескивание глубиной 5—7 мм не является критическим с точки зрения опасности хрупкого разрушения в условиях неустойчивого распространения какой-либо из трещин.

265. Туляков Г. А., Скоробогатых В. Н., Федосеев А. К. Малоцикловое разрушение литой корпусной стали 15Х1М1ФЛ. 5-ый Всес. симп. по МЦУ. Волгоград, 1987. С. 78 - 80.

В связи с увеличением времени эксплуатации двигателей транспортной авиации (до 6000 ч и выше [66]) отмечены случаи разрушения турбинных дисков [5, 10, 22, 30] вследствие циклических необратимых деформаций. Расчетная оценка термопрочности турбинного диска из сплава ХН77ТЮР [5] показала, что и лри эксплуатационных режимах влияние циклических необратимых деформаций на долговечность является определяющим. Обнаружено, что малоцикловое разрушение (Л^™28 000) возможно и в сту-

Малоцикловое разрушение рассматриваемого вида, таким образом, определяется режимом циклов нагрузки и температуры, при этом вид разрушения может быть чисто усталостный, или квазистатический (длительный статический), а также промежуточный с признаками усталостного и длительного статического типа разрушения в зависимости от соотношения основных факторов: формы и длительности цикла деформирования и нагрева, максимальной температуры, амплитуды циклической упругопластической деформации [107]. Одновременное действие на детали машин циклически изменяющихся нагрузок и температур в общем случае может быть совершенно произвольным и нестационарным. Максимальные значения температуры и нагрузок могут совпадать во времени, действовать со сдвигом по фазе, или частота приложения нагрузки может быть отличной от частоты изменения температуры.

За характерный период эксплуатации в опасных зонах конструктивного элемента возникают различные виды повреждений: малоцикловое усталостное (длительное малоцикловое усталостное) и квазистатическое (длительное статическое), причем длительное малоцикловое усталостное и длительное статическое повреждения обусловливаются проявлением временных эффектов — ползучестью, релаксацией напряжений, деформационным охрупчиванием материалов и т. п. Предельное состояние по условиям прочности и малоцикловое разрушение материала определяются взаимосвязью и преимущественным влиянием того или иного вида повреждения в зависимости от удельного веса соответствующих этапов в режиме эксплуатации. В основном при циклическом неизотермическом высокотемпературном нагружении реализуется смешанный характер разрушения, когда основные виды малоциклового повреждения (усталостное и квазистатическое) сопоставимы.

Под воздействием переменного внутреннего давления и изгибных напряжений (см. пп. 1.1-1.2) происходит малоцикловое разрушение стенки трубопровода [127].

3. В целом ряде работ отмечено, что давление в трубе при ее эксплуатации не является постоянным — оно изменяется вследствие неизбежного изменения условий транспортировки нефти. С учетом вышесказанного, особое значение приобрели работы по исследованию малоциклового (обычно до 104 циклов нагружения) разрушения труб. Малоцикловое разрушение реализуется при циклическом упругопластическом деформировании, тогда как номинальные расчетные напряжения в трубе не могут превышать предела текучести. В этой связи следует предположить, что в процессе длительной эксплуатации число циклов повторно-переменных напряжений может оказаться значительно большим, чем считается, и что реаль-