Пороговых напряжений

В результате использования констант материала и параметров зоны пластической деформации было показано, что скорость роста трещины сложным образом зависит от длины трещины, пороговых коэффициентов интенсивности напряжения и безразмерных характеристик материала. При этом показатель степени тр = 4.

Выявлены характерные особенности изменения пороговых коэффициентов интенсивности напряжения от характеристики асимметрии цикла внешней нагрузки. Показано, что при знакопеременных напряжениях в широком диапазоне коэффициентов асимметрии цикла влияние сжимающих напряжений незначительно.

Выявлены характерные особенности изменения пороговых коэффициентов интенсивности напряжений от характеристики асимметрии цикла внешней нагрузки. Показано, что при знакопеременных напряжениях в широком диапазоне коэффициентов асимметрии цикла влияние сжимающих напряжений незначительное.

Рис. 63. Зависимость пороговых коэффициентов интенсивности напряжений Д/Гг/) и (Кmax)f/? от Коэффициента асимметрии цикла К для сталей 06Х12НЗД (/') и 15Х12НМФА (//)

В табл. 19 приведены соотношения (248) для расчета спектра пороговых коэффициентов интенсивности напряжений при различных пороговых скоростях, отвечающих N = 0 (при dlldN = В) и N = 1-fIV. С помощью этих соотношений можно сравнивать циклическую трещи-ностойкость сплавов на стадии зарождения трещины в условиях подобия напряженно-деформированного состояния. Из этих выражений следует, что при R = const значение AK,f, зависит только от параметра динамической структуры п, интегрально учитывающего влияние таких внешних факторов, как частота цикла, температура и др.

Условия нераспространения трещин и предел выносливости. Представляет интерес рассмотреть картину трещин при напряжениях, равных пределу выносливости на базе 10' циклов. Размеры максимальных трещин, которые наблюдались при кручении и растяжении — сжатии, приведены в табл. 9. В этой же таблице даны значения пороговых коэффициентов интенсивности напряжений, найденных на образцах с трещинами, предварительно выращенными из концентраторов напряжений в виде круглых отверстий, при испытаниях образцов как при кручении, так и при растяжении — сжатии.

Поскольку, как уже отмечалось, развитие усталостных трещин' и выносливость материалов существенно зависят от условий испытаний, для оценки несущей способности реальных изделий при испытаниях стараются максимально отразить эксплуатационные факторы. Связь пороговых коэффициентов интенсивности напряжений и пределов выносливости исследовали на примере материалов, применяемых для изготовления компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД). Компрессорные лопатки в эксплуатации подвержены воздействию высокочастотных вибраций при сравнительно низких амплитудах напряжений и ввиду отсутствия временных эффектов (например, ползучести) представляют собой идеальный объект для применения линейной механики разрушения. Присутствие коррозионной среды — морской воды при работе компрессорных лопаток судовых ГТД является основанием для коррозионно-усталостных эффектов. При оценке-эксплуатационной пригодности материалов для турбинных лопаток необходимо рассмотреть влияние высоких температур. Учитывая, что лопатки работают в поле центробежных сил, порождающих асимметрию нагружения., необходимо исследовать его влияние.

пороговых коэффициентов интенсивности напряжений на воздухе и в растворе морской соли с повышением коэффициента R уменьшается (см. табл. 34), а зависимость (А/С^/А/С^0'1)-/? становится пологой (см. рис. 73, 95), что совпадает с результатами работы [336], где испытывали сталь с 13 % Сг. Повышение асимметрии цикла существенно увеличивает скорость роста трещины при сравнительно низких размахах коэффициента интенсивности напряжений, однако при AKi = 16 МПа \^м эта величина уже одинакова для всех значений R (рис. 104). Однако повышение асимметрии цикла не всегда снижает разницу между пороговыми размахами коэффициента интенсивности напряжений на воздухе и в растворе соли. Это видно на примере сталей SNCM2 и SVS304 (см. рис. 93, 95).

На рис. 138 приведены результаты сравнения экспериментальных данных испытаний лопаток на выносливость при изгибе по первой форме колебаний [155] с расчетом по формуле (VI. 10). Сравнение показывает, что долговечность лопатки можно вполне надежно рассчитывать по кинетическим диаграммам развития усталостной трещины. Параметры уравнения Париса, значения пороговых коэффициентов интенсивности напряжений и пределов выносливости серий лопаток, необходимые для использования формул (VI. 1), (VI.2), (VI. 10), взяты из табл. 34 и работ [155, 156], а зависимости геометрического фактора от размера трещины в лопатках — из работы [105].

ЗНАЧЕНИЯ ПОРОГОВЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ

Следует отметить, что исследования коррозионной усталости сталей в условиях катодной поляризации, выполненные ранее, проводились или в условиях, приближенных к катодной защите морских сооружений [117. 134, 199, 223], или давали трудно '?чтер-претируемые результаты [115, 229]. В частности, исследовательскими группами, изучающими влияние циклических напряжений на процесс КР под руководством А. Мендозы и Е. Вендлер-Калч [177, 229], вблизи поверхности образцов обнаружены трещины глубиной, не превышающей десятков микрометров. Их скорость роста, как это было показано Дж. Биверсом и др. [115], снижается по мере развития разрушения. В результате изучения влияния циклической нагрузки на величину порогового напряжения КР с помощью экстраполяции длины трещины P.P. Фесслером [139] обнаружено ее снижение по мере уменьшением частоты нагружения с 10"3 до 10"* Гц. Однако полученные значения пороговых напряжений не соответствуют наблюдаемым на реальных магистральных газопроводах уровням напряжений, при которых развивается КР. Следует отметить, что практически во всех исследованиях влияния циклического напряжения на процесс КР образцы не доводились до разрушения [139]. При полном же разрушении образцов, проведенном Т.Н. Бейкером и др. [112-114] по "стандартной" для КР методике Дж. Биверса и др. [115], обнаружено, что трещины распространялись под углом 45° , что является признаком вязкого разрушения, а не КР, для которого характерен хрупкий механизм распространения трещин. Результаты этих исследований косвенно подтверждают факт о различии механизма КР и МКУ.

Следует отметить, что исследоьания коррозионной усталости сталей в условиях катодной поляризации, выполненные ранее, проводились или в условиях, приближенных к катодной защите морских сооружений, или давали трудноинтерпретируемые результаты. В частности, исследовательскими группами, изучающими влияние циклических напряжений на процесс КР под руководством А. Мендозы и Е. Вевдлер-Калч, вблизи поверхности образцов обнаружены трещины глубиной, не превышающей десятков микрометров, скорость роста которых, как это было показано Дж. Биверсом и др., снижается по мере развития разрушения. В результате изучения влияния циклической нагрузки на величину порогового напряжения КР с помощью экстраполяции длины трещины Р.Р. Фесслером обнаружено ее снижение по мере уменьшения частоты нагружения с 10~3 до 10~4 Гц . Однако полученные еначэния пороговых напряжений не соответствуют наблюдаемым на реальных МГ уровням напряжений, при которых развивается КР. Следуег- отметить, что практически во всех исследованиях влияния циклического напряжения на промесс КР образцы не доводились до

L=L]=const. Верхняя граница, характеризуемая а1, была определена с учетом иерархии пороговых напряжений согласно соотношению

дать точке с координатами о и р1, смысл точки бифуркации, характеризующей верхнюю границу реализации разрушения отрывом. Тогда область пороговых напряжений в интервале с1 > aN > oiv, отвечающих смене активацион-ных объемов при Li=const, можно выделить с помощью постоянной А.

Рис. 11. Иллюстрация метода определения пороговых напряжений (о"кр) по времени до разрушения при испытании на КР гладких образцов, изготовленных из плит сплава 7075-Т6 толщиной до 76,2 мм. В высотном направлении при использовании данного метода определения уровень пороговых напряжении составляет 50 МПа [42] (стрелки — разрушение отсутствует; точки — результаты отдельных испытаний; числа у точек — количество испытаний более чем на одном образце); / — высотное испытание (103 испытания); (Т —заданные (постоянные) растягивающие напряжения; т — время до разрушения при переменном погружении в раствор 3,5% NaCl.

определяемое на гладких образцах, зависит от особенностей сплава, термической обработки, ориентации структуры, среды, продолжительности испытаний. Величины пороговых напряжений приведены в табл. 4, 5. Определение пороговых напряжений — процесс сложный, требующий обычно большого количества образцов для испытаний на разных уровнях напряжений. Наиболее широкое применение получило испытание в водном растворе 3,5% NaCl при переменном погружении. Образцы сначала погружают на 10 мин в раствор, затем высушивают на воздухе в течение 50 мин. Испытания в агрессивных средах методом переменного погружения обычно продолжаются в течение 30—180 сут. В менее агрессивных средах, например в промышленной атмосфере, требуемое время испытаний не менее трех лет.

Влияние формы и ориентации зерен по отношению к направлению приложенных напряжений при определении уровня пороговых напряжений на гладких образцах показано на примере, приведенном на рис. 12 и 13.

Из рис. 12 видно, что уровень пороговых напряжений и время до разрушения изменяются от долевого к высотному направлению. Имеются два объяснения этого факта. Во-первых, путь коррозионной трещины является самым коротким в условиях, когда напряжения приложены в высотном направлении, как показано на рис. 14. Во-вторых, в случае высотного направления приложения напряжений растягивающие напряжения являются наиболее точно перпендикулярными к границам зерен и чувствительность к КР является функцией той компоненты напряжений, которая действует нормально по отношению к границам зерен [60, 61]. Несмотря на то что уровень пороговых напряжений меньше на высотных образцах, важно отметить, что даже на образцах, вырезанных в долевом направлении, трещины КР могут легко возникать на границах, которые перпендикулярны к приложенным напряжениям [62]. Однако для трещин этой ориентации нет возможности непрерывно распространяться по границам зерен, направленным только перпендикулярно к приложенным напряжениям (см. рис. 14). Поэтому в случае КР развитие таких трещин затруднено. Тем не менее такие медленно растущие коррозионные трещины, проникающие только на одно-два зерна, могут быть ответствен-

3. Уровень пороговых напряжений, определенный на гладких образцах, не может быть использован для того, чтоб.ы определить, сможет ли коррозионная трещина расти в образце, имеющем надрез или трещину, или в металле с дефектами структуры (надрез, трещина или дефект способствуют локализации напряжений на уровне более высоком, чем минимальные приложенные напряжения).

5. Установленные уровни пороговых напряжений мало используются при изучении фундаментального механизма КР, поскольку характеристика «время до разрушения» имеет дополнительные недостатки. Во-первых, обычно время до разрушения, определенное на гладких образцах, включает обе стадии КР (стадию зарождения и стадию развития коррозионной трещины), которые практически не всегда возможно разделить. Во-вторых, на характеристику «время до разрушения» (когда она включает полное разрушение образца) влияет вязкость разрушения материала, поскольку на более вязких материалах трещины должны расти более длительное время, перед тем как достигнуть критической длины.

где f\ и f2 — границы интервала частот; s{j) - спектральная плотность сигнала. В отличие от счетных энергетические критерии не требуют установки пороговых напряжений, однако необходимо устанавливать границы временного и частотного интервалов.