Нагружении внутренним

На рис. 21 представлена микронеоднородность деформации после статического и циклического нагружения сплава ОТ4У-0с 2,5 % AI. Как видно, микронеоднородность деформации при статическом нагружении существенно превышает по интенсивности всплесков деформации аналогичную картину при циклическом нагружении. Предварительное циклическое нагружение уменьшает микронеоднородность деформации при последующем статическом нагружении. Пики деформации при циклическом нагружении в отличие от статического нагружения в отдельных микрообъемах несколько сдвигаются.

Характер изменения предела упругости о0_05 и предела текучести ст„;, при циклическом нагружении существенно зависит от вида цикла нагружения. При пульсирующем растяжении в пластической области наблюдается повышение предела текучести при последующих нагружениях до напряжений, с которых производи-лась.-разгрузка. При знакопеременном деформировании предел текучести при последующем сжатии уменьшается тем больше, чем выше упругопластическая деформация при предшествующем растяжении. Предварительная деформация сжатием с последующим растяжением дает аналогичную картину (эффект Баушин-гера).

Механические характеристики металлов при динамическом нагружении существенно отличаются от характеристик, полученных при статическом нагружении [22, 54, 58]. На основании известных представлений о поведении металлов при динамическом нагружении и экспериментов можно утверждать, что при ударе изменяются первоначальные механические свойства поверхностных слоев в результате многократного динамического взаимодействия с абразивом или металлом. На изменение механических свойств металла в поверхностных слоях большое влияние оказывает скорость удара.

Характер влияния различных факторов на зарождение трещин и их распространение в ряде случаев принципиально различается между собой [108]. Например, при усталостном разрушении во многих материалах сопротивление возникновению разрушения выше при мелком зерне, а сопротивление развитию разрушения повышается с укрупнением зерна. Такое явление наблюдалось, в частности, в литейных никельхромовых жаропрочных сплавах, в ряде алюминиевых сплавов и т. д. Существует мнение, что зарождение усталостной трещины в малой степени зависит от частоты приложения нагрузки, в то время как процесс распространения трещин зависит от частоты в гораздо большей степени [28]. При длительном высокотемпературном статическом нагружении существенно различие по характеристикам сопротивления возникновению и развитию разрушения между однотипными деформируемыми и литейными сплавами: по первой характеристике литейные сплавы, как правило, значительно превосходят деформируемые, по второй — могут уступать.

На условия разрушения при неизотермическом нагружении существенно влияет знак циклической пластической деформации при максимальной температуре цикла. Типичным сочетанием температурного и силового циклов считают такое, при котором деформация сжатия осуществляется при максимальной температуре, в том числе с выдержкой, а деформация растяжения—• при минимальной температуре цикла (рис. 7, А1 или В1). Такой вид нагружения реализуется, как известно, в поверхностных слоях любого конструктивного элемента при интенсивном термоциклическом воздействии и в ряде деталей в силу их конструктивных особенностей. Весьма распространено такое сочетание t и 0, когда деформация растяжения приходится на высокотемпературную часть термического цикла (с выдержкой при температуре tmax — рис. 7, В2 или без нее — рис. 7,А2). Наконец, в условиях эксплуатации при стационарном тепловом режиме возможно циклическое упругопластическое деформирование при постоянной температуре (рис. 7, Cl, C2 или СЗ).

В самом общем случае элементарный образец композиционного материала должен иметь все три размера, существенно превышающие минимальный размер компонентов. С этих позиций такие объекты, как моноволокно, окруженное достаточным количеством второго компонента, или монослой из волокон, объединенных вторым компонентом, не являются элементарными образцами композиционного материала. В самом деле, например, реальное механическое поведение микрообразцов в виде волокон с покрытием или монолент при различных видах нагружения (например, при изгибающем циклическом нагружении) существенно отличается от механического поведения элементарных или более крупных образцов композиции, характерной чертой которых является равномерное распределение нагрузки на более прочном и жестком компоненте и торможение развития разрушающей трещины на внутренних поверхностях раздела.

Выводы и технологические рекомендации. Усталостная прочность жаропрочных сталей и сплавов при рабочих температурах и высокочастотном нагружении существенно зависит от следующих основных параметров качества поверхностного слоя: шероховатости поверхности, глубины и степени наклепа. Технологические остаточные макронапряжения независимо от их величины и знака не оказывают заметного влияния на характеристики усталости. В условиях циклического нагружения и высоких температур они быстро релаксируются.

Предельное состояние при повторном приложении нагрузок можно охарактеризовать мерой накопления усталостных и квазистатических повреждений, причем усталостные повреждения обусловлены действием циклических деформаций е&\ квазистатические — односторонне накопленных деформаций e(k\ Характер изменения деформаций конструктивных элементов при повторном нагружении существенно зависит от режима приложения нагрузок, напряженного состояния и свойств материалов. Диаграммы циклического деформирования при различных циклах нагружения отражают различный характер изменения односторонне накопленных е^ и циклических упругоплас-тических е^) деформаций (рис. 1.1).

Рассмотрено влияние процентного содержания водорода на характеристики как циклической, так и статической трещиностойкоста титанового об -сплава ПТ-7М. Показано, что минимальные пороговые значения КИН и скорости роста усталостной трещины в припороговсй области практически не зависят от уровня наводороживания, в то время как критические значения КИН при статическом нагружении существенно падают с ростом содержания водорода в сплаве.

При дальнейшем повышении температуры испытаний до 650° С сопротивление деформированию стали Х18Н10Т при малоцикловом нагружении существенно изменяется по сравнению с температурами 20 и 450° С. Это, в основном, связано с проявлением температурно-временных эффектов, к которым в первую очередь относятся процессы ползучести и деформационного старения, существенно интенсифицирующиеся в данных условиях. При мягком режиме нагружения с треугольной формой циклов относительное время деформирования, в течение которого происходит первоначальное упрочнение материала, увеличивается (рис. 4.9, а) по сравнению с нагружением при 450° С, а интенсивность этого упрочнения зависит от уровня действующих напряжений. При этом наибольшее упрочнение достигается на меньших амплитудах напряжений (оа = 24 кгс/мм2). С увеличением последних (оа = = 30,5 -ь 34,4 кгс/мм2) стадия разупрочнения начинается сразу же после первых циклов нагружения. Характер накопления односторонней деформации в этих условиях показан на рис. 4.9, б, из которого видно, что она проявляет тенденцию к увеличению при значительных амплитудах напряжений (00 ^> 28 кгс/мм2) и сохраняется на уровне исходного накопления (в первом цикле) при их меньших значениях.

Поведение металла при нагружении существенно зависит от его способности к упрочнению от деформации. Эту способность характеризуют показателем степени упрочнения п в выражении

Формулы для определения долговечности цилиндров под действием внешнего давления аналогичны по форме с таковыми при нагружении внутренним давлением. Приближенно долговечность цилиндра, найденная по критерию устойчивости формы, может быть определена по формуле:

Формулы для определения долговечности цилиндров под действием внешнего давления аналогичны по форме с таковыми при нагружении внутренним давлением. Приближенно долговечность цилиндра, найденная по критерию устойчивости формы, может быть определена по формуле

В отличие от тонкостенных оболочковых конструкций, включающих в себя достаточно широкий ассортимент геометрических форм (цилиндрическая, коническая тороидальная, каплевидная и т.п.), толстостенные конструкции в силу ряда ограничений на технологические операции их изготовления, связанных с толщиной металла ?, как правило, сводятся к наиболее простым геометрическим типам — цилиндрическим и сферическим /6, 50/. Такие конструкции используются ддя изготовления сосудов и трубопроводов высокого давления. Как было показано в разделе 2.1, для рассматриваемых конструкций характерна неравномерность распределения напряжений по толщине стенки, трехосное поле напряжений при их нагружении внутренним или внешним давлением.

В отличие от тонкостенных оболочковых конструкций, включающих в себя достаточно широкий ассортимент геометрических форм (цилиндрическая, коническая тороидальная, каплевидная и т.п.), толстостенные конструкции в силу ряда ограничений на технологические операции их изготовления, связанных с толщиной металла /, как правило, сводятся к наиболее простым геометрическим типам — цилиндрическим и сферическим /6, 50/. Такие конструкции используются для изготовления сосудов и трубопроводов высокого давления. Как было показано в разделе 2.1, для рассматриваемых конструкций характерна неравномерность распределения напряжений по толщине стенки, трехосное поле напряжений при их нагружении внутренним или внешним давлением.

Гидрофильтры не всегда подвергаются строго упорядоченному числу единичных актов их нагру-жения в течение полета. Однако нагружение, реализуемое при работе агрегата в эксплуатации, может быть оценено на основе данных испытаний гидрофильтров на стенде. Для такого сравнения был использован один из изломов испытанных фильтров, в котором разрушение произошло по входному отверстию (длинная трещина). По характеру изменения шага усталостных бороздок распространение трещины на стенде и в эксплуатации было качественно весьма близким. Обнаруженная на стенде течь гидрожидкости соответствовала достижению трещиной длины около 25 мм, что совпало с критической длиной трещины, которая была выявлена в эксплуатации. Вместе с тем расчеты длительности роста трещины в испытаниях на стенде показали, что она составляет около 58000 циклов. Это в 2 раза меньше того числа циклов, что реализуются в эксплуатации по рассматриваемому месту распространения усталостной трещины. Из этого следует, что уровень напряженности гидрофильтра на стенде был несколько выше, чем при нагружении внутренним давлением в эксплуатации. Поэтому оцениваемый ресурс гидроагрегата по результатам стендовых испытаний с воспроизведением расчетного уровня внутреннего давления идет в запас располагаемой долговечности агрегата при его нагружении внутренним давлением в реальных условиях эксплуатации. Разница в длительности роста трещин в 2 раза отражает различие в средней скорости роста трещины почти в 2 раза. Поэтому можно считать, что при линейной связи шага бороздок с длиной трещины на большей части излома различие в длительности в 2 раза отражает различие в уровне эквивалентного напряжения в 1,4 раза, поскольку при линейной связи шага усталостных бороздок с длиной трещины реализуется квадратическая степенная зависи-

Многочисленные данные по исследованию статической прочности труб приведены в работе [11]. На трубах диаметром 529 и 720мм изучалось влияние различных факторов (горячей и холодной правки труб, продольного надреза, вмятин и овальности сечения труб) на их прочность при статическом нагружении внутренним давлением.

Результаты испытаний сферических сосудов диаметром 500 мм с толщиной 5 мм приведены в работе [107]. Сосуды, изготовленные из стали марки 3, испытывались как при статическом, так и при повторно-статическом нагружении внутренним давлением. Повторное нагружение производилось ступенчато, через каждые 1000 циклов давление увеличивалось на 10 кгс/сма. Действие повторного

В работе [108] сообщается о результатах испытаний цилиндрических сосудов из низколегированных сталей марок А-201, А-302 и Т-1. Диаметр сосудов 900мм, толщина стенки 50 мм. В процессе повторных нагружении внутренним давлением на внутренней поверхности цилиндрической оболочки и около патрубков измерялись деформации. Было обнаружено перераспределение амплитуды деформаций в зонах концентрации напряжений, которое происходило в течение только первых десяти циклов нагружения, что-связано с изменением циклических упругопластических свойств материалов. В дальнейшем деформирование в зоне концентрации соответствовало жесткому типу нагружения. Разрушение происходило, как правило, в местах наибольшей концентрации напряжений в диапазоне от 3000 до 90 000 циклов нагружения с образованием трещин, через которые возникла течь, давление в сосуде при этом падало.

Результаты испытаний труб при статическом нагружении внутренним давлением до разрушения. С целью исследования причин разрушения труб большого диаметра магистральных нефте-и продуктопроводов в работе [1] были поставлены по изложенной выше методике натурные испытания штатных труб, предназначенных для использования в трубопроводах.

Характерным является отсутствие влияния местной неоднородности напряженного состояния на несущую способность труб при однократном нагружении внутренним давлением. Так, в результате развития пластических деформаций при статическом разрушении устраняется овализация сечения, сглаживается концентрация и изгибные эффекты в зоне сварного шва из-за наличия усиления, смещения кромок и угловатости.

В результате экспериментальных исследований прочности и особенностей разрушения труб большого диаметра при нагружении внутренним гидростатическим давлением можно сформулировать следующие основные выводы: