Одночастотном нагружении

Действительно электронно-микроскопические исследования показывают, что при 450° С при всех видах нагружения формируется «решетчатая» структура (рис. 4), причем степень завершенности развития последней зависит от формы цикла. Как видно из рис. 4, при амплитуде напряжения оа=39,2 кгс/мм2 к моменту разрушения в условиях одночастотного нагружения «решетчатая» структура оказалась еще не полностью завершенной (рис. 4, а), в то время как при нагружении с временными выдержками имела место уже сформировавшаяся «решетчатая» структура (рис. 4, б). При двухчастотном нагружении, когда, как было указано выше, имело место интенсивное образование новой фазы (рис. 4, в), заметного формирования «решетчатой» структуры не наблюдалось, а происходили дробление и коагуляция карбидов.

Для исследованных уровней нагружения размер карбидов является максимальным при нагружении с выдержками. При переходе от одночастотного нагружения к нагружению с выдержками происходит, очевидно, коагуляция карбидов, что сопровождается увеличением их размеров почти в 3 раза. Этот процесс приводит к увеличению доли (в%) в. с. излома в 1,5 раза. Наложение второй частоты вызывает дробление карбидов, что выражается в умень-

Уточнение эффекта двухчастотности проводится на основе разработанных и рассматриваемых ниже алгоритма и программы расчета уровня накопленного повреждения в элементах конструкций при двухчастотном высокотемпературном нагружении с учетом изменения во времени характеристик статических механических свойств. Использование этой программы для случая обычного одночастотного нагружения возможно как для частного случая с заданием уровня второй (высокочастотной) составляющей напряжений и деформаций, равной нулю (см. §2).

-i- 0,30. Соотношение частот действующих напряжений, зависящее от времени выдержки, которое в этой серии испытаний, как и для трапецеидального цикла, составляло 5 мин, было равно /г/1 = 80. Из полученных данных видно, что в сравнении с аналогичными данными для одночастотного нагружения (см. рис. 4.8. а) наличие высокочастотной составляющей при одних и тех же уровнях амплитуд максимальных напряжений уменьшает циклическую пластическую деформацию на 30—40%, что, по-видимому, связано со стимулированием высокочастотной составляющей циклической деформации процесса деформационного старения, и при этом не однозначно сказывается на упрочнении и разупрочнении материала. Так, при а„ = 34,4 кгс/мм2 величина бЛ со среднего значения при одночастотном нагружении 0,9 —1.0% уменьшается до 0,6%, а период упрочнения увеличивается с n/N = 0,03 до n/N = 0,25. Повышение максимальных напряжений до аа = = 37,0 ч- 39,2 кгс/мм2 также уменьшает при двухчастотном режиме среднюю величину 6(*> с 1,5 до 1,0%, но интенсивность разупрочнения материала при дальнейшем нагружении повышается. Характер одностороннего накопления пластической деформации е^ в рассматриваемых условиях также изменяется. Если при одночастотном нагружении величина е^ на протяжении почти всей долговечности остается на уровне деформации, накопленной при исходном нагружении, то при двухчастотном режиме для всех исследованных уровней амплитуд напряжений обнаруживается склонность материала к одностороннему накоплению е^. Величина деформации циклической ползучести ет, накапливаемая в процессе выдержек, в рассматриваемых условиях оказалась малой, по-видимому, из-за слабого проявления в материале при этой температуре температурно-временных эффектов. Влияние накопленных деформаций при этом проявляется лишь в изменении характера сопротивления деформированию, что выражается в уменьшении циклической пластической деформации и в увеличении односторонне накопленной деформации, а также в более интенсивном протекании процессов упрочнения и разупрочнения соответственно на начальной и завершающей стадиях нагружения. Повышение температуры испытаний до 650° С коренным образом, как и при нагружении с треугольной и трапецеидальной формами циклов, изменяет кинетику деформаций. Это также связано с активизацией в этих условиях процессов ползучести и деформационного старения. На рис. 4.25 приведены данные по кинетике деформаций, полученные при двухчастотном нагружении (650° С), как и для t = 450° С по режиму, представленному на рис. 4.20, б. Амплитуда максимальных напряжений ста при этом была изменяемым параметром, а амплитуда наложенных напряжений сохранялась постоянной и составляла ст„2 = 6,5 кгс/мм2. Тем самым охватывался диапазон соотношений амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих aa2/(ial от 0,57 до 0,30, а соотношение частот при времени выдержки 5 мин и времени низкочастотного цикла 11 мин составляло /2//i = 80.

Если рассмотреть изменение лишь активной составляющей циклической пластической деформации 6а (рис. 4,25. б), то можно отметить, что ее кинетика более подобна кинетике циклической пластической деформации одночастотного нагружения, а на характер изменения полной ширины петли 6(fc) оказывает существенное влияние деформация циклической ползучести е-с (рис. 4.25, г), величина которой зависит от уровня 0а.

Если более подробно проанализировать кинетику деформации при одночастотном и двухчастотном нагружениях с одинаковыми максимальными напряжениями и обратиться к рис. 4.26, на котором показано сравнение развития деформаций в этих условиях (а„ = 24 кгс/мм2), то можно видеть, что характер развития полной циклической пластической деформации 6W существенно изменяется с переходом от одночастотного нагружения к двухча-стотному. Если в первом случае ширина петли пластического гистерезиса после первых циклов продолжает уменьшаться на значительной доле долговечности (материал упрочняется) и несколько увеличивается лишь на заключительной ее стадии (рис. 4.26, а), то при действии о"я2 она уменьшается только в первые циклы, а затем начинается ее расширение. Абсолютная величина средней циклической пластической деформации при этом в 3—5 раз больше, чем при одночастотном нагружении.

Значения показателя (т{)э для одночастотного нагружения, определенные по этим экспериментальным диаграммам для различных полуциклов нагружения, приведены в верхней строке табл. 4.1. Здесь же приведены расчетные значения /nj., вычисленные для рассматриваемых условий по уравнению (4.22) с использованием зависимостей (4.7) — (4.15). Из их сопоставления видно, что соответствие экспериментальных и расчетных значений

В связи с этим для рассматриваемых режимов и условий двухчастотного нагружения представляется возможным предварительную оценку изменения сопротивления деформированию материала производить по данным для одночастотного нагружения с учетом указанных выше особенностей изменения модуля циклического

В качестве примера к изложенным выше положениям на рис. 4.35, а приведены экспериментальные данные по исходному деформированию (в нулевом полуцикле) стали Х18Н10Т без наложения высокочастотной деформации еа2 = 0 (темные круглые точки), а также при наложении еа2 = 0,035% с частотой /2 = 25 Гц (светлые круглые точки) и еа2 = 0,07% (темные треугольные точки). Видно, что в двух последних случаях кривая деформирования располагается выше кривой для монотонного нагружения. Пересчет этих данных в относительные координаты позволяет получить численные значения модуля исходного упрочнения т0, которые составляют для одночастотного нагружения в рассматриваемых

Для одночастотного нагружения .0 = ^0050)/; е = е!соз [(со, — Ь{)1].

Исследования, проведенные в ИЭС им. Е.О.Патона, показали возможность определения долговечности Nu при двухчастотном нагружении по кривым усталости для одночастотного нагружения TV,, на основе соотношения

Наряду с изменением кинетики б'*) в зависимости от формы цикла изменяется и характер поведения односторонне накопленной деформации е''с>. Если при одночастотном нагружении (рис. 4.8, а) одностороннее накопление деформаций в сторону растяжения с числом циклов практически отсутствует (за исключением накопления в первом цикле) и, более того, проявляется

-i- 0,30. Соотношение частот действующих напряжений, зависящее от времени выдержки, которое в этой серии испытаний, как и для трапецеидального цикла, составляло 5 мин, было равно /г/1 = 80. Из полученных данных видно, что в сравнении с аналогичными данными для одночастотного нагружения (см. рис. 4.8. а) наличие высокочастотной составляющей при одних и тех же уровнях амплитуд максимальных напряжений уменьшает циклическую пластическую деформацию на 30—40%, что, по-видимому, связано со стимулированием высокочастотной составляющей циклической деформации процесса деформационного старения, и при этом не однозначно сказывается на упрочнении и разупрочнении материала. Так, при а„ = 34,4 кгс/мм2 величина бЛ со среднего значения при одночастотном нагружении 0,9 —1.0% уменьшается до 0,6%, а период упрочнения увеличивается с n/N = 0,03 до n/N = 0,25. Повышение максимальных напряжений до аа = = 37,0 ч- 39,2 кгс/мм2 также уменьшает при двухчастотном режиме среднюю величину 6(*> с 1,5 до 1,0%, но интенсивность разупрочнения материала при дальнейшем нагружении повышается. Характер одностороннего накопления пластической деформации е^ в рассматриваемых условиях также изменяется. Если при одночастотном нагружении величина е^ на протяжении почти всей долговечности остается на уровне деформации, накопленной при исходном нагружении, то при двухчастотном режиме для всех исследованных уровней амплитуд напряжений обнаруживается склонность материала к одностороннему накоплению е^. Величина деформации циклической ползучести ет, накапливаемая в процессе выдержек, в рассматриваемых условиях оказалась малой, по-видимому, из-за слабого проявления в материале при этой температуре температурно-временных эффектов. Влияние накопленных деформаций при этом проявляется лишь в изменении характера сопротивления деформированию, что выражается в уменьшении циклической пластической деформации и в увеличении односторонне накопленной деформации, а также в более интенсивном протекании процессов упрочнения и разупрочнения соответственно на начальной и завершающей стадиях нагружения. Повышение температуры испытаний до 650° С коренным образом, как и при нагружении с треугольной и трапецеидальной формами циклов, изменяет кинетику деформаций. Это также связано с активизацией в этих условиях процессов ползучести и деформационного старения. На рис. 4.25 приведены данные по кинетике деформаций, полученные при двухчастотном нагружении (650° С), как и для t = 450° С по режиму, представленному на рис. 4.20, б. Амплитуда максимальных напряжений ста при этом была изменяемым параметром, а амплитуда наложенных напряжений сохранялась постоянной и составляла ст„2 = 6,5 кгс/мм2. Тем самым охватывался диапазон соотношений амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих aa2/(ial от 0,57 до 0,30, а соотношение частот при времени выдержки 5 мин и времени низкочастотного цикла 11 мин составляло /2//i = 80.

Если более подробно проанализировать кинетику деформации при одночастотном и двухчастотном нагружениях с одинаковыми максимальными напряжениями и обратиться к рис. 4.26, на котором показано сравнение развития деформаций в этих условиях (а„ = 24 кгс/мм2), то можно видеть, что характер развития полной циклической пластической деформации 6W существенно изменяется с переходом от одночастотного нагружения к двухча-стотному. Если в первом случае ширина петли пластического гистерезиса после первых циклов продолжает уменьшаться на значительной доле долговечности (материал упрочняется) и несколько увеличивается лишь на заключительной ее стадии (рис. 4.26, а), то при действии о"я2 она уменьшается только в первые циклы, а затем начинается ее расширение. Абсолютная величина средней циклической пластической деформации при этом в 3—5 раз больше, чем при одночастотном нагружении.

полной ширины петли гистерезиса. Наличие деформации ползучести в этих условиях порождает и увеличение односторонне накопленной пластической деформации е^ при двухчастотном нагружении (рис. 4.26, б), которое начинает прогрессировать одновременно с переходом материала к разупрочнению по активной составляющей циклической деформации, в то время как при одночастотном нагружении прогрессирующего одностороннего накопления деформации не наблюдается.

Аналитическая кривая зависимости (10), показанная на рис. 32, представляет собой совокупность точек, определяющих безопасные параметры двухчастотного нагружения. Задавшись отношением частот р одновременно действующих двух нагрузок, можно на пересечении с кривой найти такое отношение амплитуд двух напряжений (о2/а1 или ст2/атах), при котором Л^п =Л^1(№П = = 1^), т. е. долговечность при двухчастотном нагружении не будет отличаться от долговечности при одночастотном нагружении (если а, = 0тах).

позволяющим испытывать образцы при одновременном действии двух циклических нагрузок и поперечном изгибе. Во всем исследуемом диапазоне амплитудных отношений ста2/(татах = 0,23-ь 4-0,80 наблюдается резкое снижение усталостной прочности. Предел выносливости, составляющий при одночастотном нагружении 13,5 кгс/мм2, падает при двухчастотном нагружении до 4,5 кгс/мм2, т. е. на 67%. Экспериментальные исследования показывают, что изменение выносливости стали в условиях двух-частотного нагружения зависит от частотных и амплитудных отношений действующих нагрузок. По-видимому, именно эти обстоятельства и дают неодинаковые результаты влияния двух-частотного нагружения на выносливость сталей [57]. Долговечность снижается с ростом отношения амплитуд (рис. 35, а) и частот (рис. 35, б) действующих нагрузок. Для малого соотношения частот р = 2,7 существует диапазон отношений сга2Лтатах, в котором долговечность и предел выносливости даже повышаются (рис. 35, б). С увеличением отношения частот с 12,8 до 120 для исследовавшегося интервала значений аа2/статах выносливость при двухчастотном нагружении уменьшается.

совладает с частотой приложения рабочих нагрузок, то для многих элементов конструкций и деталей машин характерны нагружения с двумя и большим числом частот, накладываемых друг на друга. Так, например, еще при первых виброиспытаниях целых сварных конструкций наблюдалось на первый взгляд странное явление. Первоначальные разрушения наступали нередко не в наиболее напряженных согласно расчету зонах, а в относительно мало напряженных или в "нерабочих" элементах. В тот период достаточного внимания изучению связи таких разрушений с эффектом "дребезжания", то есть беспорядочной вибрации с повышенной по сравнению с частотой основного гюна колебаний, уделено не было. Позднее измерения, выполненные в процессе эксплуатации различных машин и конструкций, позволили установить, что в условиях двухчастотного нагружения (рис.9.3.24) соотношения этих составляющих могут меняться в широких пределах отношений Oj/Oj от 0,03 до 0,5 и^частот/^//, от 1 до нескольких тысяч [54, 317]. Было показано, что при двухчастотном нагружении усталостная прочность может снижаться в значительно большей степени, чем при одночастотном нагружении с максимальной амплитудой, равной суммарной величине амплитуд обеих составляющих цикла. Однако известны также и противоположные случаи, когда сопротивление усталости при двухчастотном нагружении не снижается, а даже несколько повышается.

плитуде 0„ = 240 МПа наблюдался наименьший размер карбидных частиц, равномерно распределенных по всему объему материала в зоне разрушения. Нагружение с малыми амплитудами нагрузки (длительные времена) приводит при одночастотном нагружении к дроблению карбидов (рис. 5.13), как и при больших уровнях нагрузки, и к растворению, приводящему к увеличению степени искажения кристаллической решетки с ростом времени нагруже-ния. При этом наблюдался вязкий излом в зоне разрушения. Следует ожидать, что дальнейшее увеличение времени нагру-жения (уменьшение нагрузки) приведет к росту размера частиц и охрупчиванию материала. При малых уровнях нагрузки деформационное старение уже в меньшей мере интенсифицируется деформацией, поскольку она мала, и определяется в основном вре-

При нагружении с выдержками в течение 5 мин на экстремальных значениях нагрузки значительная доля деформации в полуцикле получается за счет ползучести в процессе выдержки, и, например, при аа = 240 МПа ширина петли гистерезиса на стадии насыщения после упрочнения на первой стадии деформирования почти в 3 раза больше, чем при одночастотном нагружении (рис. 5.10 и 5.8). При этом и односторонне накопленная деформация к моменту разрушения существенно превышает деформацию одночастотного нагружения, которая в последнем случае определялась в основном деформацией, накопленной в первом цикле нагружения: если при моногармоническом нагружении предельно накопленная деформация составляла около 3% , то при нагружении с выдержками она была равна 12%. Различие в деформационных характеристиках было обусловлено различием в характере протекания структурных изменений при указанных видах нагружения.

Кривые изменения максимальных напряжений оа max и ширины петли пластического гистерезиса б в процессе нагружения для данных режимов приведены на рис. 5.15. При одночастотном нагружении с заданной амплитудой максимальной упругоплас-тической деформации еатах, как видно из рис. 5.15, а, на начальной стадии (до NINp ^Е 0,15) происходит интенсивное упрочнение материала, выражающееся в повышении амплитуды напряжений в циклах и уменьшении циклической пластической деформации б, а затем наступает стадия их стабилизации, продолжающаяся вплоть до появления микротрещины размером 2—3 мм,, когда начинается резкое падение нагрузки. Из полученных данных следует, что сопротивление деформированию стали Х18Н10Г при жестком одночастотном нагружении и Т = 650° С, характеризуемое в первую очередь кинетикой циклической пластической деформации, на начальной стадии подобно мягкому нагружению материала в аналогичных условиях. С увеличением доли относительной долговечности наблюдается некоторое их различие, выражающееся в увеличении при мягком нагружении величины б (переход материала к разупрочнению), что связано, по-видимому, с наличием квазистатического повреждения, которое отсутствует при жестком нагружении, когда б после стабилизации остается постоянной.

Результаты исследования скорости роста трещин при рассмотренных условиях нагружения представляли в виде диаграмм усталостного разрушения, построенных в координатах lg daldn — lg /Cjmax и \gda/dnl — lg ЛКь где п— число циклов при одночастотном нагружении; n-i — число низкочастотных циклов при двухчастотном нагружении; daldn, daldnl — скорости роста трещин, рассчитываемые по экспериментальным зависимостям а = <р (п) и а = <р (пг) с использованием трехточечного метода секущих [97]; /Cimax — максимальный или суммарный коэффициент интенсивности напряжений в условиях одно- и двухчастотного нагружения, рассчитываемый по формуле для компактного образца на внецентренное растяжение [114].