Накопления деформаций

За последние годы в СССР и за рубежом опубликован ряд работ по металловедению и технологии титановых сплавов, отражены современные подходы к проблеме их разрушения. Вопросы же циклической прочности и долговечности титановых сплавов с учетом влияния агрессивных сред освещены мало. Авторы попытались на основании собственных исследований и обобщения имеющихся отечественных и зарубежных материалов установить основные закономерности изменения свойств титановых сплавов при циклических нагружениях. Особое внимание при этом обращено на рассмотрение природы процессов накопления циклических повреждений в условиях агрессивных сред и на выявление факторов, отрицательно сказывающихся на надежности и эксплуатации при циклических нагрузках.

Расчетная оценка термопрочности тур'бинного диска [4] из сплава ХН77ТЮР на основании экспериментальных данных, характеризующих прочность материала при циклическом неизотермическом нагружении, показала, что и при эксплуатационных режимах влияние циклических пластических деформаций на его долговечность является определяющим, причем обнаружено, что .малоцикловая усталость (JVP=2800' цикл) определяется напряженным и деформированным состоянием в ступице диска. Весьма часто термическая яагруженность конструктивных элементов проявляется в чистом виде за счет воздействия только циклических теплосмен. Например, нестационарные температурные поля, возникающие при .многократных пусках и остановах газотурбинных установок, вызывают в сопловых лопатках высокие уровни термических напряжений и нео'братимые накопления циклических пластических деформаций [49]. Наряду с этим при теплоеменах обнаружена опасная особенность поведения материала в виде необратимого и часто существенного формоизменения, даже при отсутствии механической нагрузки [15, 80]. Анализ расчетных данных для сопловой лопатки ГТД [49] при тепловом режиме (705=fc9000 С), моделирующем реальные эксплуатационные условия, показывает, что в момент выхода на стационарный режим материал лопатки подвергается значительным упругопластическим деформациям (Де = 0,5%); при этом в обеих кромках лопатки возникают пластические зоны сжатия, а на вогнутой стороне профиля лопатки — пластическая зона растяжения, причем и в последнем случае величина упругопластической деформации значительная.

Рис. 1.6. Кривые длительной пластичности (1 и 5) и накопления циклических деформаций (2 — 4) при соответствующих режимах нагружения

ют зарисимость сопротивления термической усталости от формы и длительности цикла температур, а также степени накопления циклических деформаций.

Рис. 5.6. Кривые накопления циклических максимальных местных и номинальных деформаций в полосе с отверстием (d/b = 0,16) из сплава АК4-1-Т1 1—5 — At = 10 мин, сгп = 180 МПа; 2 и 7 — At = 1 мин, ои = 180 МПа; 3 и s — Дт = = 1 мин, ап = 150 МПа; 4 и 6 — Дт = 10 мин, ап = 150 МПа

Анализ взаимодействия процессов накопления циклических и статических повреждений показал, что при температурах t ;> ;> 190° время деформирования, по существу, является определяющим фактором сопротивления деформированию и разрушению. Характеристики предельной пластичности, полученные при циклическом и длительном статическом нагружениях, при этих температурах практически совпадают. В диапазоне температур t ^> ^> 190° при мягком нагружении наблюдаются только квазистатические разрушения. С понижением температуры наблюдается уменьшение влияния ползучести. При t ^ 120° фактор времени становится несущественным и сопоставление данных по предельной пластичности целесообразно производить в зависимости от числа циклов.

Использование уравнений состояния для оценки прочности и ресурса циклически нагруженных элементов конструкций и деталей машин позволяет проанализировать кинетику деформаций в наиболее напряженных зонах и рассмотреть процесс накопления циклических повреждений по мере приближения к предельным состояниям. К числу наиболее исследованных в теоретическом и экспериментальном плане относятся особенности протекания циклических упругопластических деформаций и параметры соответствующих уравнений состояния при изотермическом нагружении для двух основных режимов нагружения — с заданными амплитудами напряжений и с заданными амплитудами деформаций. В результате этих исследований сформулированы свойства и виды уравнений обобщенных диаграмм циклического деформирования, получившие применение в расчетах прочности.

Экспериментально установлено, что интенсивность процессов накопления циклических и длительных статических повреждений определяется скоростью и длительностью деформирования и существенно зависит от уровня температур. В общем случае с повышением температуры сильнее убывает сопротивление длительному статическому разрушению, чем циклическому. В соответствии с этим при длительном циклическом нагружении с ростом температуры происходит переход от преобладающей роли усталостного повреждения к длительному статическому, и только в некотором интервале температур их роль сопоставима.

Анализ взаимодействия процессов накопления циклических и статических повреждений, проведенный для жаропрочного алюминиевого сплава АК4-1-Т1 в условиях мягкого и жесткого циклических нагружении с различной асимметрией и формой цикла, позволил также перейти к построению подобных схем, характеризующих предельные состояния сплава по условию малоциклового нагружения в связи с кинетикой накопления повреждений при различных уровнях температур, нагрузок и частот деформирования.

В интервале чисел циклов от 150 и до порядка 3000 разрушение носит смешанный характер и связано с одновременным накоплением соизмеримых по величине длительных статических и усталостных повреждений. При долговечностях, больших 3000, разрушение носит (для уровня оп — 28 кгс/мм2) усталостный характер и предельное состояние достигается за счет преобладающего накопления циклических повреждений.

Необходимость исследования закономерностей сопротивления циклического деформирования материалов в условиях малоциклового, длительного циклического и неизотермического нагружении определяется, как было рассмотрено выше (см. гл. 1), прежде всего потребностями разработки экспериментально обоснованных уравнений состояния, позволяющих определять поцикловое напряженно-деформированное состояние и анализировать кинетику деформаций в наиболее напряженных зонах (амплитуды местных упругопластических деформаций и величины односторонне накопленных пластических деформаций). Это в свою очередь позволяет рассмотреть процесс накопления циклических повреждений с целью расчетной оценки прочности и долговечности элементов конструкций.

В Институте машиноведения исследования в области малоцикловой усталости, развернутые по инициативе академика АН УССР С. В.'Серенсена и доктора технических наук профессора Р. М. Шнейдеровича, в течение ряда лет проводятся, исходя из учета кинетики полей неоднородных деформаций определяемых свойствами диаграммы циклического деформирования, и возможности одностороннего накопления деформаций, ведущему к квазистатическому разрушению. Структура задачи определения несущей способности элементов конструкций при малоцикловом на-гружении состоит из трех основных направлений:

При нагружений циклически упрочняющихся материалов с заданными амплитудами напряжений, а также циклически упрочняющихся, разупрочняющихся и стабильных материалов с заданными амплитудами деформаций (жесткое нагружение) происходят малоцикловые усталостные разрушения с образованием макротрещин без одностороннего накопления деформаций.

При этом показано, что применяемая в ряде случаев оценка 'повреждений в относительных долговечностях, когда разрушающее число циклов определяется по кривой стационарного мягкого либо жесткого нагружения без учета одностороннего накопления .деформаций, может дать достоверные результаты лишь для случаев с превалирующим накоплением усталостных повреждений. На рис. 1.1.12 приведены данные о накоплении повреждений к моменту образования трещины для режимов с хорошим «переме-

[уравнения (5.22) и (5.25)] учет частоты в этом смысле уже не является необходимым. В связи с этим в дальнейшем развитии критериев малоциклового разрушения, которое заключалось в формировании условия накопления деформаций, частоту нагружения не учитывают [63, 98]:

Как указывалось, в случае жесткого нагружения одностороннего накопления деформаций не происходит, и это уравнение, теряя второе слагаемое, превращается в обычное уравнение Коффина AemN = C. Пример расчета долговечности по этому уравнению приведен в п. 30.

В испытаниях на термическую усталость с варьируемой жесткостью нагружения [4,5, 10] это связано прежде всего с режимом неизотермического малоциклового нагружения (жесткость нагружения, уровень максимальной температуры цикла, скорость нагрева и охлаждения, длительность выдержки) и определяется различным сопротивлением статическому и циклическому деформированию частей образца, нагретых в разной степени из-за продольного градиента температур, и протеканием реологических процессов на этапе выдержки при высокой температуре [4, 10]. На рис. 4, б показано, что эффект одностороннего накопления деформаций существенно проявляется в характерной для малоцикловой усталости области чисел циклов (до 103) и в определенных условиях (большая жесткость нагружения — до 240 Т/см и длительная выдержка — до 60 мин), возможно накопление перед разрушением деформаций, близких к величинам статического однократного разрыва (кривые 1, 3, 8) при соответствующем времени деформирования в условиях неизотермического нагружения. При этом реализуется смешанный или квазистатический (длительный статический) характер малоциклового разрушения.

•4. Ковпак В. И., Баумштейн М. В., Олисов А. И. Исследование закономерностей накопления деформаций ползучести сплавов на никелевой основе в широком интервале температур и напряжений.— Пробл. прочности, 1975, № 8, с. 3—9.

При уменьшении времени выдержки при постоянной нагрузке, увеличении частоты циклов нагружения и уменьшении амплитуды циклических напряжений процесс накопления деформаций в мембранной зоне может затухать (кривые 3 и 4) и характер разрушения в пределе оказывается усталостным. В таких случаях трещины возникают без заметных односторонне накопленных деформаций, причем усталостные повреждения накапливаются в результате действия циклических деформаций на этапах упругого нагружения и разгрузки (рис. 1.7, а и б).

Появление знакопеременных напряжений в зоне концентрации сопровождается возникновением циклических деформаций (рис. 1.7, б), превышающих деформации в мембранной зоне (см. рис. 1.7, а и б). Поскольку для зон концентрации напряженний характерны значительные градиенты напряжений и деформаций, а объем упругопластичес-кой зоны сравнительно мал, накопление деформаций статической и циклической ползучести ограничено влиянием прилегающих объемов материала модельного элемента, находящихся в упругом состоянии. В этих условиях в зоне концентрации достижение предельного состояния по критериям прочности определяется долей усталостного повреждения, близкой к единице; доля квазистатического повреждения вследствие незначительных перераспределения и накопления деформаций, появляющихся только в начальных циклах деформирования, пренебрежимо мала (см. рис. 1.7, в). В этом случае усталостная трещина образуется в переходной от фланца к оболочке зоне, в которой возникают максимальные циклические деформации, обусловленные эффектом концентрации. При этом отсутствуют односторонне накопленные деформации, и трещина распространяется в кольцевом направлении.

Анализ кривых на рис. 2.16 показывает: нестационарность процесса циклического деформирования в зоне разрушения определяется длительностью выдержки; значительная разница пластических деформаций, достигаемых в полуциклах на этапах нагрева и охлаждения (е°х> е"), определяет интенсивность накопления деформаций е(*) (рис. 2.16, б), а следовательно, значительных квазистатических повреждений. При увеличении длительности выдержки увеличиваются степень нестационарности процесса упругопластического деформирования и уровень односторонне накопленных деформаций в зоне разрушения (см. рис. 2.16, б), уменьшается коэффициент асимметрии цикла напряжений при примерно постоянном размахе напряжений (см. рис. 2.16,а).

Роль жесткости нагружения (или жесткости установки) в формировании квазистатических повреждений иллюстрирует рис. 2.18. При увеличении жесткости нагружения предельные односторонне накопленные деформации увеличиваются, однако при заданном времени выдержки процесс накопления деформаций прекращается при определенном значении жесткости нагружения.