Неизотермическом деформировании

10. НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ МАТЕРИАЛА

Неизотермическое нагружение сплава ХН77ТЮР. Испытания проводили по режиму a=const, t=var, Л/с?т>0 -(рис. 24,о) при двух значениях нагрузки (01 = 450 МЛа; <т2=500 МПа), в диапазоне изменения температуры ^ = 20-^750°С. Указанный режим нагружения и значения аи/ близки к условиям деформирования материала в дисках турбин.

/, 2—(Т=450 МПа; 3, 4—а=500 МПа; /, 3—изотермическое нагружение; 2, 4—неизотермическое нагружение

Неизотермическое нагружение сплава ХН70ВМТЮФ. Сплав ХН70ВМТЮФ испытывали по режимам, приведенным в табл. 2. Исследовали свойства -материала при нагружении с меняющейся температурой: от /=$00° >С до ?='500° С (в ряде опытов также и до / = 700°С), режим от ? = 500° С до ^=800°С и повторное нагружение по режиму 500=?* 800° С.

Учет асимметрии цикла. Как показано в предыдущих разделах, неизотермическое нагружение обусловливает различную величину повреждаемости в четном и нечетном полуциклах, т. е. и при отсутствий дополнительной механической нагрузки термоциклическое нагружение является по существу асимметричным [24]. Влияние дополнительной статической нагрузки можно оценить, если в качестве исходной характеристики использовать сопротивление термоусталости при обычном пилообразном законе изменения температуры. Диаграмма <на рис. 90,6 позволяет сделать такую оценку для трех характерных областей значений дополнительной механической нагрузки: 0т>100; ато<0 и 0т= = 0-МОО МПа. Долговечность N для каждой из этих областей определяют по следующим соотношениям, вытекающим из диаграммы на рис. 90,6.

Особенности процесса нагружения материала при испытаниях на термическую усталость заключаются в неизотермическом характере деформирования и в разнородности повреждений, возникающих в четных и нечетных полуциклах нагружения. В области упругого деформирования неизотермическое нагру-жение не вызывает изменения диаграммы термомеханического состояния; однако при деформациях более 1 —1,5% неизотермическое нагружение приводит к смещению точек поверхности /(а, е, t) =0, что особенно заметно при циклическом деформировании. Различный характер повреждения материала в течение каждого цикла (от холодного наклепа в зоне с t=tmtii до процессов достаривания и лолзучести в области t==tmax) определяет особый вид кинетики размаха напряжений при жестком на-гружении: процессы циклического упрочнения и разупрочнения могут чередоваться 'в течение срока службы материала.

10. Неизотермическое нагружение материала......... 41

характерный период стендовых термоциклических испытаний неизотермическое нагружение материала в наиболее напряженной точке оболочечной конструкции носит циклический характер со сменой знака напряжений (рис. 4.11). Циклическое деформирование материала при неизотермическом нагружении реализуется в периоды растяжения-сжатия, начало которых совпадает с моментами достижения наибольших прямых (в режиме Л,) и обратных (в режиме А3) перепадов-температур в меридиональном направлении корпуса и соответствует концу предыдущего и началу следующего полуциклов нагружения.

2.4. СЛОЖНЫЕ ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ. НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ

РАЗЛИЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДЛИТЕЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ. НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ

2.4. Сложные деформационные процессы. Неизотермическое нагружение .................... 62

Исследуемый материал при температурах 600 и 650° С оказывается чувствительным к форме цикла нагрева и времени деформирования. На рис. 2.5.3, а в качестве примера приведено изменение ширины петель гистерезиса при постоянной температуре 600° С и неизотермическом деформировании по режиму I в интервале температур 600 j± 125° С. Отмечается менее интенсивное циклическое упрочнение материала при переменных температурах. Аналогично и с повышением частоты нагружения упрочнение уменьшается, что говорит о влиянии длительности деформирования при высоких температурах.

Выше был рассмотрен вопрос о неизотермическом деформировании, когда температура в процессе нагружения изменяется пропорционально напряжению, и предложен способ описания такого нагружения в форме уравнений теории старения. Для произвольных путей изменения напряжений и температур требуются более сложные зависимости, в частности зависимости, устанавливающие связь не только между самими величинами напряжений, деформаций и температур, но и между их приращением (дифференциальные теории).

Выбор формы образцов для неизотермических испытаний должен производиться с учетом специфики процесса. Оказывается, что в зависимости от сочетания режимов нагружения и нагрева (охлаждения) возникают существенные особенности деформирования образцов, имеющих продольный градиент температур. Так, цилиндрический образец из нержавеющей стали с рабочей длиной 24 мм в условиях температурного режима нагрев — охлаждение 650 ?± 150° С при нагружений с заданными величинами перемещений рабочей части имеет значительные перераспределения деформаций в пределах расчетной длины по мере набора числа циклов нагружения. Может возникнуть шейка в центре образца (см. рис. 1.3.1, б), либо бочка в середине длины и две шейки в прилегающих зонах (см. рис. 1.3.1, в). На рис. 5.4.11, приведены результаты расчета задачи о циклическом неизотермическом деформировании цилиндрического образца в режиме жесткого нагружения. Расчет производился методом конечного элемента на основе

Исследуемый материал при циклическом нагружений оказывается чувствительным к форме цикла нагрева и времени деформирования. На рис. Ив качестве примера приведено изменение ширины петель гистерезиса при постоянной температуре 600° С и неизотермическом деформировании по режиму I в интервале температур 600 j± 125° С. Отмечается менее интенсивное циклическое упрочнение материала при переменных температурах. Также и с повышением частоты нагружения упрочнение уменьшается, что говорит о влиянии длительности деформирования при высоких температурах.

В предыдущем разделе был рассмотрен вопрос о неизотермическом деформировании, когда температура в процессе нагружения изменяется пропорционально напряжению, и предложен способ описания такого нагружения в форме уравнений теории старения. Для произвольных путей изменения напряжений и температур требуются более сложные зависимости, в частности зависимости, устанавливающие связь не только между самими величинами напряжений, деформаций и температур, но и между их приращением (дифференциальные теории).

Для оценки точности аппроксимации с использованием теории сплайнов в связи с задачей о неизотермическом деформировании были проведены контрольные расчеты для кривых, заданных следующими уравнениями:

Рис. 1.15. Поверхность нагружения для k-ro полуцикла при длительном малоцикловом и неизотермическом деформировании:

Результаты исследования малоцикловой усталости жаропрочных сплавов ХН75МБТЮ-ВД и ХН56МВТЮ, приведенные на рис. 2.5 и 2.7, показывают, что наибольшие повреждения возникают в опасной зоне конструктивного элемента при циклическом неизотермическом деформировании на этапе упругопластического растяжения при высокой температуре термического цикла. Предельное состояние в указанных условиях достигается при меньшем числе циклов, чем при других режимах малоциклового нагружения. Сравнение данных, приведенных на рис. 2.6 и 2.7, показывает, что сопротивление малоцикловой усталости при синфазном режиме значительно меньше, чем при противофазном.

Циклическому неизотермическому деформированию присущ также ряд особенностей, которые в прямом виде не могут быть отражены уравнениями, приведенными в п. 3.3.4 § 2 гл. 11. Простейшим предположением, позволяющим описать связь между напряжениями и деформациями при неизотермическом деформировании, является гипотеза о существовании поверхности нагружения в координатах а, е, t, сечения которой плоскостями t = = const представляют собой диаграммы деформирования при изотермическом нагружении. Как показано в [16], такое предположение оказывается справедливым для монотонных нагружении и изменений температуры. В работе [7] применительно к таким видам нагружении показано, что положение поверхности циклического неизотермического деформирования зависит не только от номера полуцикла, как это имеет место при t = const, но и от кинетики пластического деформирования в предшествующих полуциклах. При этом кривые изотермического циклического деформирования в координатах s — е, образующие такую поверхность в k-м полуцикле, можно представить в виде

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.

Рис. 1.15. Поверхность иагружения для k-ro полуцикла при длительном малоцикловом и неизотермическом деформировании: