Малоцикловому нагружению

Сопротивление малоцикловому деформированию и разрушению определяется структурным состоянием материала и условиями нагружения. При этом условие разрушения записывается в виде ,[168]

Активные исследования вопросов прочности при малоцикловом нагружении проводятся последние 15—20 лет. Изучены основные особенности сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению материалов и элементов конструкций, разработаны экспериментальные и расчетные методы исследования напряженного и деформированного состояния изделий, в ряде случаев приме-

Сопротивление малоцикловому деформированию.

При практическом использовании обобщенной диаграммы циклического упругопластического деформирования следует иметь в виду, что наличие диаграммы экспериментально показано для диапазона деформаций, выбранного из соображений применимости в расчетах деталей (до пяти — десяти деформаций предела пропорциональности). Однако при разработке критериев малоциклового разрушения требуется располагать данными о сопротивлении малоцикловому деформированию и разрушению при уровнях нагрузки, существенно превышающих указанный диапазон, когда наблюдается ряд отклонений от описанных выше закономерностей.

•* Сопротивление малоцикловому деформированию при меняющихся амплитудах напряжений в условиях нерегулярного нагружения

Поставленная задача предусматривала: анализ эксплуатационных условий работы магистральных трубопроводов и характера их разрушений; разработку метода испытания труб большого диаметра в условиях повторных нагружений внутренним давлением; исследование напряженно-деформированного состояния труб при статическом и повторно-статическом нагружениях с учетом концентрации и наличия моментных зон; определение характеристик сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению конструкционных материалов; получение данных о малоцикловой прочности труб большого диаметра; разработку основ метода оцен-

Применительно к задачам оценки малоцикловой прочности изделий определение расчетных характеристик сопротивления малоцикловой усталости конструкционного материала требует учета ряда специфических особенностей и прежде всего технологических. К таким особенностям относятся: состояние материала, влияние на сопротивление малоцикловому деформированию и разрушению места и направления вырезки образцов, особенности работы металла сварного шва, представляющего собой разнородное по механическим свойствам соединение. Для оценки циклических свойств материала изделия необходимо проводить испытания образцов из металла толщины, способа изготовления (прокат, поковка и т. п.) и термообработки, соответствующих штатным. При этом вопрос рационального и правильного выбора места вырезки образца должен решаться с учетом данных по напряженному со-

Располагая корсетную часть образца в том или ином месте сварного соединения, можно получить позонные характеристики сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению металла различных зон шва.

Исследованию малоцикловой прочности сильфонных компенсаторов и аналогичных им устройств посвящен ряд статей [39, 54, 55, 122, 225], однако в них рассматривается работа компенсаторов только в области нормальных и умеренно повышенных температур, когда временные эффекты оказываются не выраженными. Основные подходы к определению напряженно-деформированного состояния и оценке прочности в таких условиях рассмотрены выше в § 4.1 и 4.2. Проблема определения длительной циклической прочности компенсаторов имеет значительную специфику и требует учета температурно-временных особенностей сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению.

В процессе испытаний при длительном малоцикловом нагру-жении осуществляется сочетание процессов ползучести (релаксации) и накопления длительных статических повреждений, с одной стороны, и процессов циклического пластического деформирования и накопления усталостных повреждений, с другой, причем эти процессы могут влиять друг на друга. Поэтому изучение сопротивления длительному малоцикловому деформированию и разрушению (длительной малоцикловой прочности) должно основываться на закономерностях ползучести и длительной статической прочности и на закономерностях малоцикловой усталости и сводится к установлению закономерностей этого взаимного влияния.

При длительных циклических испытаниях существенно воспроизведение при испытаниях сочетания различных условий циклического и длительного деформирования и повреждения, обеспечивающее проявление тех или иных особенностей поведения при повышенных температурах. Эксперимент должен быть поставлен таким образом, чтобы по возможности дозировать (в том числе выделить или сделать преобладающими) основные факторы, влияющие на сопротивление длительному малоцикловому деформированию и разрушению. При этом диапазон температур испытаний должен быть достаточно большим, чтобы охватить область срав-

Отличительной особенностью процесса сопротивления материалов малоцикловому нагружению является непостоянство с числом циклов и во времени диаграммы деформирования. Следствием отмеченного оказывается перераспределение в общем случае напряжений и деформаций в процессе циклического нагружения за пределами упругости элемента конструкции. При этом возникает явление нестационарности условий деформирования даже при повторном нагружении конструкции постоянными нагрузками (механическими и термическими). С другой стороны, условия циклического деформирования за пределами упругости определяют величины циклических и односторонне накопленных деформаций на стадии образования макротрещины и особенности достижения предельного состояния по разрушению.

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.

Оценка долговечности труб большого диаметра по критерию сопротивления малоцикловому нагружению. Отмеченный широкий диапазон долговечности труб, испытанных на уровне рабочего давления, может быть объяснен особенностями местной напряженности труб.

3. Разработать с использованием данных физико-металловедческих исследований тензорезисторы, оптимальные с точки зрения применения в конструкциях, подверженных малоцикловому нагружению, обеспечивая их достаточную чувствительность и долговечность при малоцикловых измерениях.

В книге рассмотрены вопросы сопротивления жаропрочных материалов неизотермическому малоцикловому нагружению — термической усталости. Приведены экспериментальные данные по термической усталости жаропрочных сталей, никелевых деформируемых и литых сплавов, используемых в основном в деталях газотурбинных установок. Освещены роль технологических факторов (режимов литья и термообработки, покрытий, пайки и др.), а также влияние основных параметров циклического нагружения — температуры, частоты, нагрузки. Определены критерии прочности при термоусталостном нагружении при высоких (до 1050° С) температурах и предложены расчетные уравнения для прогнозирования долговечности. Изложены методы испытаний, приведены схемы испытательных машин.

Энергетические критерии термоусталостной прочности. Как упоминалось в п. 19, для оценки сопротивления материала изотермическому малоцикловому нагружению можно использовать энергетические соотношения типа (5.8), (5.9). Распространение этих зависимостей на случай неизотермического нагружения выполнено в работе [54].

Образцы (рис. 1, а) подвергались малоцикловому нагружению па растяжение — сжатие. На рисунке точно указаны размеры образца, а форма его искажена. Кривые на рис. 1 показывают: б — распределение напряжения; Ъ — распределение градиента напряжения;

При циклическом нагружении образца с трещиной в пластической зоне у конца трещины всегда реализуется высокий уровень деформаций и напряжений, соответствующих повторно-статическому и малоцикловому нагружению. При этом в окрестности конца трещины в диапазоне значений коэффициента асимметрии цикла г = _1 -f- 0,5 имеют место остаточные напряжения сжатия [32—35], т. е. у конца трещины реализуется знакопеременное напряженно-деформированное состояние, близкое к симметричному, независимо от величины г, создаваемой внешними нагрузками.

При обосновании методов расчета на прочность элементов конструкций, работающих в условиях интенсивного малоциклового термомеханического нагружения, весьма важны разработка и обоснование критерия, учитывающего комплекс специфических факторов, свойственных неизотермическому и термоусталостному малоцикловому нагружению:

Остановимся еще на вопросе о приспособлении материала к малоцикловому нагружению (см. п. 1.1). Во многих случаях расчета конструкционных элементов на переменные во времени нагрузки требуется обеспечить только условие приспособления, исключая таким образом необходимость оценки малоцикловой долговечности.

испытательных установок при различных формах двухчастотных циклов и соотношениях их параметров. В продолжение комплекса испытаний по исследованию сопротивления деформированию материалов при нагружении с выдержками, результаты которого рассмотрены на примере стали Х18Н10Т в § 2 настоящей главы, были проведены эксперименты по двухчастотному малоцикловому нагружению стали Х18Н10Т при форме цикла, показанной на рис. 4.19, б, и температуре 450° С. Результаты этих экспериментов представлены на рис. 4.24, который показывает изменение полной циклической б^) и односторонне накопленной е^ пластических деформаций в процессе деформирования.