Неизотермической усталости

• Расчет суммарного повреждения для режимов неизотермического нагружения типов, показанных на рис. 1.3.1, а — г, в форме деформационно-кинетического критерия (уравнение 1.3.1) показывает вполне удовлетворительное соответствие данных деформационно-кинетическому критерию длительной малоцикловой неизотермической прочности (рис. 1.3.3). Величина суммарного повреждения укладывается в полосе разброса от 0,5 до 1,5, что свидетельствует о возможности использования для расчета прочности при неизотермическом нагружении предлагаемого критерия.

неизотермическому разрушению, а также экспериментально проверим применимость деформационно-кинетического критерия длительной циклической неизотермической прочности в условиях термического нагружения.

Степень суммарных повреждений определяли из уравнения (2.1). Повышенный разброс данных для сплава ХН56МВТЮ (рис. 2.24, в) можно объяснить меньшей деформационной способностью этого сплава и большим разбросом результатов испытаний на малоцикловую и термическую усталость. Указанный диапазон разброса суммарных повреждений соответствует весьма малому рассеянию данных по долговечности, что, учитывая различие механических свойств исследуемых сплавов, подтверждает возможность деформационной трактовки условий малоцикловой неизотермической прочности для различных уровней температур и режимов нагружения [ 2,3].

Степень суммарных повреждений определяли из уравнения (2.1). Повышенный разброс данных для сплава ХН56МВТЮ (рис. 2.24, в) можно объяснить меньшей деформационной способностью этого сплава и большим разбросом результатов испытаний на малоцикловую л термическую усталость. Указанный диапазон разброса суммарных повреждений соответствует весьма малому рассеянию данных по долговечности, что, учитывая различие механических свойств исследуемых сплавов, подтверждает возможность деформационной трактовки условий малоцикловой неизотермической прочности для различных уровней температур и режимов нагружения [ 2, 3 ] .

Зависимости, определяющие условия формирования предельного состояния материала в опасных зонах детали. Одним из важных направлений исследований малоцикловой неизотермической прочности является изучение условий формирования предельного состояния материала в опасных объемах детали. Эту задачу следует рассматривать в комплексе исследований, проводимых, с одной стороны, с целью обоснованного выбора критерия малоцикловой прочности, а с другой, изучения закономерностей для аналитического описания процесса достижения предельного состояния по условиям разрушения в зависимости от режимов термомеханическо-

Таким образом, анализ существующих трактовок предельного состояния при малоцикловом изотермическом и неизотермическом нагружениях показывает, что они, с одной стороны, описывают лишь частные режимы малоциклового нагружения, а с другой, — входящие в уравнения (2.19), (2.22) коэффициенты не обладают достаточной общностью и зависят от многих факторов, поэтому их определение связано с большими трудностями. По-видимому, этими обстоятельствами объясняется тот факт, что уравнения (2.19), (2.22) и (2.7), содержащие большое число параметров и коэффициентов, не нашли широкого применения в расчетной практике при анализе соответствующих закономерностей малоцикловой изотермической (высокие температуры) и неизотермической прочности.

Расчет суммарного повреждения для режимов (см. рис. 2.46, а... ...г) неизотермического нагружения ,[17] (в том числе при испытаниях, когда возможно .накопление больших повреждений как усталостных, так и квазистатических, а также для режимов с максимальным повреждающим эффектом) показывает удовлетворительное соответствие экспериментальных данных (расчетным, полученным по деформационно-кинетическому критерию длительной малоцикловой неизотермической прочности (рис. 2.47).

Деформационно-кинетическая трактовка малоцикловой, длительной малоцикловой и неизотермической прочности выполняется в линейной трактовке, принципиально отличаясь, как правило, от нелинейных интерпретаций повреждений во временной форме. Пересчет одних и тех же экспериментальных данных в соответствии с деформационно-кинетическим критерием (2.42) и во временном выражении (2.34) подтверждает линейность в первом и нелинейность во втором случае суммирования повреждения (рис. 2.49).

труженик в условиях сложного напряженного состояния, разработка и формулировка соответствующих критериев прочности являются важной задачей в общей проблеме малоциклойой, в том числе неизотермической прочности. Успех исследования в этой области, особенно при циклически меняющихся температурах, связан с разработкой надежных методов (расчетных и экспериментальных) для определения соответствующих параметров. Пока в этом направлении получены результаты главным образом для нормальных и умеренных температур (20, 52, 68, 84, 85, 91, 117].

4.1. Расчет длительной малоцикловой и неизотермической прочности

Задача определения длительной малоцикловой и неизотермической прочности деталей машин и конструкций включает получение данных о термомеханической нагруженности в эксплуатационных условиях; определение полей деформаций и напряжений рассчитываемых на прочность элементов (в первую очередь в зонах максимальной напряженности), использование обоснованных критериев длительной малоцикловой и неизотермической прочности, определение механических свойств и расчетных характеристик конструкционных материалов применительно к условиям службы элементов. Этапы оценки длительной малоцикловой и неизотермической прочности представлены на рис. 4.1.

Таким образом, для оценки термоусталостной прочности материалов необходимо иметь информацию о кинетике циклической и односторонне накопленной деформации, получаемой из экспериментов на термоусталостных установках с непрерывной автоматизированной регистрацией параметров процесса деформирования и нагружения [34, 102, 104], а также получить данные-о располагаемой пластичности и сопротивлении неизотермической усталости с использованием программных установок со следящими системами нагружения и нагрева, позволяющих воспроизводить, в частности, требуемые режимы неизотермического статического разрыва и жесткого усталостного нагружения в условиях заданной формы цикла нагрева [91].

В условиях неизотермического нагружения, когда полуцикл растяжения протекает в высокотемпературной части цикла нагрева, особенно повышается роль пластичности. Показательны в этом отношении данные, приведенные на рис. 3, б и полученные в разных контрастных условиях неизотермического нагружения. Например, сравнение кривых 5 и 6 на рис. 3, б показывает, что более сильное охрупчивание сплава при 973 К приводит к существенному (до трех раз) снижению долговечности в сравнении с аналогичными данными для температурного режима с максимальной температурой 1133 К. Характерно, однако, что уровень располагаемой пластичности, по-видимому, на сопротивление малоцикловой усталости влияет незначительно, если полуцикл сжатия механического нагружения приходится на диапазон высокотемпературной части термического цикла нагрева. Об этом свидетельствует близость данных по малоцикловой неизотермической усталости (см. рис. 3, б, кривые 1—4).

деформирования. Эффект проявляется в виде существенного формоизменения и образования (для образцов) характерных зон «шейки» и «бочки» при заметном снижении сопротивления малоцикловой неизотермической усталости.

При определении долговечности элементов конструкций, работающих в условиях повторных высокотемпературных воздействий, необходимо учитывать особенности расчетов на прочность при длительном статическом и малоцикловом нагружении, циклической ползучести и неизотермической усталости на основании деформационно-кинетических критериев прочности.

Однако при сравнительно небольших упругопластических деформациях и в определенном диапазоне температур, когда режим нагруже-ния близок к жесткому, а односторонне накопленные деформации малы, для построения базовой кривой неизотермической усталости можно использовать результаты испытания на термическую усталость при условии, что доля квазистатического повреждения не превышает 0,1.

При определении долговечности элементов конструкций, работающих в условиях повторных высокотемпературных воздействий, необходимо учитывать особенности расчетов на прочность при длительном статическом и малоцикловом нагружении, циклической ползучести и неизотермической усталости на основании деформационно-кинетических критериев прочности.

Однако при сравнительно небольших упругопластических деформациях и в определенном диапазоне температур, когда режим нагруже-ния близок к жесткому, а односторонне накопленные деформации малы, для построения базовой кривой неизотермической усталости можно использовать результаты испытания на термическую усталость при условии, что доля квазистатического повреждения не превыша-етО,1.

Анализ кривых малоцикловой неизотермической усталости (рис. 2.5) для сплава ХН73МБТЮВД показывает, что сопротивление разрушению существенно зависит от температуры. При увеличении температуры испытания заметно снижается сопротивление малоциклов'ому разрушению. Например, при деформации е=1% с повышением температуры от 200 до 860° С (кривые /, 3) происходит снижение долговечности на порядок. Это означает, что в условиях неизотермического малоциклового нагружения скорость накопления повреждений при минимальных температурах цикла оказывается существенно ниже, чем при максимальных температурах цик-

В условиях неизотермического нагружения, когда полуцикл растяжения совпадает с высокотемпературной частью цикла нагрева, особенно значительна роль пластичности (рис. 2.6, б). Сравнение показывает (прямые 14 и ./5), что имеется четкая корреляция между располагаемой пластичностью сплава при 700° С и сопротивлением малоцикловой усталости в условиях неизотермического нагружения; охрупчивание сплава при 700° С обусловливает заметное (в 2—3 раза) снижение долговечности. В то же время совпадение данных по малоцикловой неизотермической усталости (10 ... 13), полученных в разных диапазонах температур термического цикла и при различных режимах программированного малоциклового нагружения, показывает, что снижение пластичности, по-видимому, не влияет существенно на сопротивление малоцикловой усталости, если полуцикл сжатия соответствует высокотемпературной части термического цикла.

Значение А изменяется в пределах 0...1. При Я=0 влияние усталости не проявляется, поскольку jf^t/ и Nf=l, что соответствует режиму длительного статического нагружения. Для циклов малой длительности (/ц=1), характерных для пилообразного режима изменения температуры при испытаниях на термическую усталость, Я-»-1, а сопротивление термической усталости сближается с сопротивлением малоцикловой неизотермической усталости.

В случае сложных режимов неизотермического малоциклового нагружения при чередовании циклических малоцикловых нагрузок с длительными выдержками достижение предельного состояния определяется взаимодействием и взаимосвязью различных видов повреждений, существенно интенсифицирующих процесс накопления предельного повреждения. По-видимому, для малоцикловой неизотермической усталости, учитывая свойства материалов и неизотер-мичность процесса нагружения, связь усталостного а/ и длительного статического at поврежденный для режима термоусталостного нагружения с выдержками при Гтах оказывается (как установлено Баландиным с.сотрудниками) сложной:

На рис. 2.53, а приведены характеристики термоусталостной прочности жаропрочного сплава для разных видов напряженных состояний, причем совпадение расчетных и опытных данных хорошее. Таким образом, сопоставление результатов испытания трех жаропрочных аустенитно-ферритных сталей в режиме термоусталостного нагружения 650. ..250° С при одноосном напряженном состоянии и чистом сдвиге позволяет сделать вывод о возможности оценки опасности разрушения при малоцикловой неизотермической усталости с помощью энергетической теории прочности.