Малоциклового характера

Основным направлением совершенствования расчета прочности изделий, работающих в условиях малоциклового нагружения, является (наряду с уточнением расчета статической прочности и корректировкой запасов) разработка метода оценки малоцикловой прочности на основе анализа напряженно-деформированного состояния (прежде всего в зонах концентрации) с учетом его по-цикловой кинетики. Такой расчет должен базироваться на изучении закономерностей малоциклового деформирования и критериев разрушения с учетом основных факторов.

вания трещины как для мягкого и жесткого, так и промежуточного между мягким и жестким нагружения, в том числе с учетом внутренней и внешней нестационарности условий малоциклового деформирования.

ветствуют установки со следящими системами нагружения и нагрева. В Институте машиноведения на базе программных установок (растяжение—сжатие и кручение) созданы испытательные машины неизотермического нагружения [91, 142, 297], обладающие достаточно широкими возможностями воспроизведения различных независимых друг от друга программ нагружения и нагрева: произвольные типы программ нагрузки и температур; статические и циклические испытания в условиях постоянства скорости нагружения или деформирования; испытания по режиму изотермического и неизотермического малоциклового деформирования (мягкое, жесткое, а также их асимметричные циклы) и по режиму изотермической и неизотермической (в том числе и мало-цикловой) ползучести и релаксации при различных сочетаниях нагрузочных и температурных режимов. Нагрев образцов — пропусканием тока, охлаждение — за счет теплоотвода через охлаждаемые водой токоподводящие шины, крепящиеся на образце. В процессе испытаний регистрируется диаграмма неизотермического деформирования материала, причем дилатометрическая составляющая деформации образца автоматически исключается.

В ряде случаев при анализе закономерностей малоциклового деформирования и разрушения удобно пользоваться разделенными величинами пластической и упругой деформаций. Такое разделение в форме обобщенной диаграммы деформирования может быть осуществлено введением зависимости пластических составляющих циклической деформации от соответствующей компоненты деформации исходного нагружения

Рассмотрим теперь закономерности длительного малоциклового деформирования при наличии высокотемпературных выдержек под напряжением. Такие условия характерны для работы элементов конструкций, однако сопротивление циклической ползучести изучено недостаточно и можно отметить лишь несколько работ в этой области преимущественно теоретического характера [27, 28, 59, 151, 152, 160, 265, 274].

Выше были рассмотрены закономерности малоциклового деформирования в условиях нормальных, повышенных и высоких температур (см. § 2.1—2.3). Несмотря на существенное усложнение явлений по мере повышения температур испытаний, усиление фактора частоты и времени деформирования, проявление эффектов температурной выдержки под нагрузкой и без, во всех случаях доказано существование обобщенной диаграммы циклического деформирования. При нормальных и повышенных температурах обобщенная диаграмма отражает поцикловую трансформацию свойств материалов, выражающуюся в циклическом упрочнении, разупрочнении и стабилизации при наличии или отсутствии циклической анзиотропии.

Сформулированные выше основные закономерности малоциклового деформирования и разрушения необходимы в связи с разработкой методов оценки прочности элементов конструкций. Для обоснования расчетной процедуры и уточнения запасов прочности в инженерной практике проводятся испытания моделей и натурных элементов. Основными задачами, которые решаются в таких испытаниях, являются сопоставление расчетного и экспериментального распределения деформаций и напряжений (особенно в зонах концентрации с учетом поциклового перераспределения), а также изучение условий достижения предельного состояния по разрушению (образованию трещины). При этом для оценки прочности в условиях циклического упругопластического деформирования необходимы данные о кинетике деформированного состояния конструкции, а также кривые малоцикловой усталости материала при однородном напряженном состоянии.

Одним из существенных факторов малоциклового деформирования и разрушения является уровень температур.

Указанные механические характеристики малоциклового деформирования и разрушения устанавливаются в результате испытаний лабораторных образцов материала в условиях, обеспечивающих однородность полей напряжений и деформаций на расчетной длине при знакопеременном повторном нагружении на специальных установках. В связи с наличием значительного числа факторов, определяющих особенности сопротивления материалов деформированию и разрушению (степень исходного деформирования, число циклов нагружения, форма цикла нагружения), в настоящее время разработаны и используются методики и установки, отличающиеся автоматизацией процесса циклического нагружения, записи зависимости напряжений и деформаций, а также обеспечивающие возможность воспроизведения требуемой формы цикла нагружения (мягкое и жесткое нагружение, асимметрия).

Основные общие требования, которым должны удовлетворять современные методы исследования характеристик малоциклового деформирования и разрушения, можно сформулировать следующим образом:

Установки имеют достаточно широкие возможности воспроизводить различные независимые друг от друга программы нагружения и нагрева: произвольные типы программ нагрузок и температур; статические и циклические испытания в условиях постоянства скорости нагружения или деформирования; испытания по режиму изотермического и неизотермического малоциклового деформирования (мягкое, жесткое, а также их асимметричные циклы) и по режиму изотермической и неизотермической (в том числе и малоцикловой) ползучести и релаксации. Точность поддержания регулируемых параметров (нагружение, нагрев) ± 1 %

Для высоконагруженных агрегатов и изделий, предназначенных для различных отраслей машиностроения — тепловой энергетики, химического и транспортного машиностроения, технологического оборудования и т. д.— в условиях эксплуатации реализуются различные сочетания режимов теплового и механического нагружении (рис, 1, А—Е). При этом уровень нагрузок и температур достигает величин, вызывающих в опасных зонах выход материалов за пределы упругости, а их циклическое изменение определяет малоцикловый характер процесса циклического упругопдастического деформирования, сопровождающийся эффектами ползучести и релаксации напряжений, приводящих к разрушению малоциклового характера.

На примере оценки малоцикловой прочности высоконагруженного конструктивного элемента (телескопического кольца) показана возможность реализации деформационно-кинетической концепции в расчетной практике. Телескопическое кольцо 1 (рис. 6, а), состоящее из двух полуколец, соединенных с помощью кронштейнов (рис. 6, б), служит для стыковки и фиксации фланцевых корпусов 2 и 3 и работает в режиме малоциклового нагружения при постоянной температуре 650 °С. Наиболее нагруженными являются зоны концентрации напряжений Дд, Л в, RC (см. рис. 5, Ъ — Л = 0,5-г-1,5 мм), на которые в зоне стыков и приходятся, как показывает анализ дефектов, разрушения малоциклового характера в рабочих и стендовых условиях. Величина максимальных упругопластических деформаций в опасных зонах определялись расчетным путем с помощью МКЭ (рис. 6, д) и расчетно-экспериментальным способом на основе модифицированного уравнения Нейбера [12—14]:

В локальных зонах телескопического кольца, в которых происходят разрушения малоциклового характера, реализуется жесткий режим

В результате чередования нестационарных и стационарных тепловых режимов при эксплуатации в локальных зонах элементов конструкций появляются циклические упругопластические деформации и вследствие этого повреждения малоциклового характера. Местные циклические упругопластические деформации в зонах концентрации напряжений при преимущественном воздействии нестационарной тепловой нагрузки существенно зависят от удельных тепловых потоков, геометрии детали и локальных зон, а также скорости изменения теплового состояния рабочей среды.

С учетом указанных упрощений на основе программы МКЭ [5], в которую были внесены соответствующие изменения, была решена задача о циклическом неизотермическом деформировании телескопического кольца 1 (рис. 12.6, а), служащего для стыковки и фиксации фланцевых корпусов 2 и 3 ГТД. Наиболее нагруженными являются зоны концентрации RA и RB (рис. 12.6, б) (R u~ ~ 0,5 -4-1,5 мм), на которые и приходятся разрушения малоциклового характера в рабочих и стендовых условиях. Перекос фланцевых корпусов телескопического соединения может вызвать разрушение в зоне RA или RB. Анализировался случай разрушения кольца в зоне RA, соответствующий меньшей долговечности, для которого на рис. 12.6, в показана принятая схема закрепления. Нагружение осуществлялось по пульсирующему циклу, температура изменялась в диапазоне 150° ^± 650° С синфазно нагрузке. Материал кольца — циклически стабильная сталь ЭИ-696А, кривые усталости которой для t = 650° = const и t = 150° j± 650° С приведены на рис. 12.4, а диаграммы циклического деформирования — на рис. 12.5. В результате расчета было получено, что в исследованном диапазоне нагрузок (табл. 12.1) режим деформирования зоныRA стабилизируется и близок к жесткому с незначительным накоплением односторонних деформаций. С использованием зависимости (12.7), параметры которой определялись из испытаний при растяжении—сжатии (см. рис. 12.4, 12.5), были подсчитаны величина повреждений в цикле и долговечность при неизотермическом нагружении. Полученные значения были сопоставлены с результатами неизотермических испытаний модельных элементов, вырезанных из кольца, а также с данными исследования [17] для случая t = 650° = const.

В локальных зонах телескопического кольца, в которых происходят разрушения малоциклового характера, реализуется жесткий режим

В результате чередования нестационарных и стационарных тепловых режимов при эксплуатации в локальных зонах элементов конструкций появляются циклические упругопластические деформации и вследствие этого повреждения малоциклового характера. Местные циклические упругопластические деформации в зонах концентрации напряжений при преимущественном воздействии нестационарной тепловой нагрузки существенно зависят от удельных тепловых потоков, геометрии детали и локальных зон, а также скорости изменения теплового состояния рабочей среды.

Чередование нестационарных и стационарных режимов эксплуатации вызывает появление циклических упругопластических деформаций материала кромок лопатки, приводящих к повреждениям малоциклового характера [30, 75, 100].

трации, а также от сопротивления материала упругопластическо-му деформированию в условиях повышенных и циклических температур. Характерным в этом отношении является турбинный диск. Наиболее часто трещины и последующее разрушение малоциклового характера возникают в местах концентрации напряжений: около отверстий [5, 10], в зоне замковых соединений по радиусам галтелей [9, 44] и др. Информация о напряженном состоянии высоконагруженных зон турбинных дисков, рассчитанная с помощью МКЭ, представлена на рис. 1.18 [5]. По/данным [5] для диска (рис. 1.18, а) полная деформация в опасной /точке при термоциклических испытаниях диска (температура 640° С, сплав ХН77ТЮР) составляет 0,6%, что и определяет расчетное число jV/ = 3,3-104 для времени цикла (без выдержки) /ц=3 мин. Включение длительной выдержки в термический цикл нагружения (?ц=10 мин) вызывает снижение расчетной долговечности примерно в 3 раза (./V/=l,2- 14- 104).

малоциклового характера. Важным фактором повышения местных напряжений является возможность возникновения перекоса элементов в процессе нагружения. Такие состояния зафиксированы как в

Таким образом, моделирование условий разрушения телескопического кольца показало, что в стендовых испытаниях и в условиях эксплуатации возможны режимы нагружения, когда реализуются разрушения малоциклового характера. На рис. 5.15 приведены также данные расчета малоцикловой усталости модели, полученные с использованием рис. 5.13, 5.14 и табл. 5.2. Соответствие кривых хорошее, лучше при расчете чисел циклов на основе максимальных деформаций в опасных зонах с помощью МК.Э. Рис. 5.16 является итоговым для оценки корректности расчетного способа на основе деформационно-кинетической трактовки условий малоциклового разрушения при высокой температуре. Здесь же приведены результаты расчета для двух конструктивных элементов 3, испытанных в стендовых условиях по режиму, приведенному на рис. 5.9, г, но со значительным перекосом; разрушение за Л/'1 = 1672 и ЛГ2 —2544 циклов приходилось на зону RA- При известной внешней максимальной нагрузке цикла с учетом перекоса и соответствующего анализа определена средняя нагрузка q\ в локальной зоне перегрузки, е помощью которой на основе данных рис. 5.13 (точка 5) найдена максимальная деформация, а затем по рис, 5.14 определено расчетное число циклов.