Полуциклах растяжения

ции на полуциклах нагружения и разгрузки. Однако мож-

ческой повреждаемости за цикл нагружения v*p. В расчетах необходимо учитывать скорость деформации на полуциклах нагружения и разгрузки.

с ростом числа циклов модуля упругости, нелинейность при нагрузке-разгрузке в упругой области, изменение циклического предела пропорциональности, различие между модулями разгрузки и пределами пропорциональности в четных и нечетных полуциклах нагружения. Однако из-за трудности экспериментального получения циклических диаграмм [43] на практике обычно применяются диаграммы, построенные аналитически методом степенных аппроксимаций ширины петли пластического гистерезиса [47, 48].

— для упругопластического анализа НДС диска допускается использовать диаграммы циклического деформирования материала диска, которые построены аналитически методом степенных аппроксимаций ширины петли пластического гистерезиса [47, 48]; это не позволяет в полной мере учесть поведение материала при циклическом на-гружении, в том числе такие особенности его поведения, как изменение с ростом числа циклов модуля упругости, нелинейность при нагрузке-разгрузке в упругой области, изменение циклического предела пропорциональности, различия между модулями разгрузки и пределами пропорциональности в четных и нечетных полуциклах нагружения;

Широкий спектр профилей бороздок был продемонстрирован при исследовании металлов на различной основе: треугольная, трапецеидальная с несимметричным профилем и др. [95,99,100,123, 132, 136-142], как это показано на рис. 3.25. Геометрия этих бороздок соответствует последовательности процессов, протекающих в обоих полуциклах нагружения. Так, например, усталостные бороздки могут состоять из площадки, которая испещрена более мелкими бороздками (см. рис. 3.25ж, з, и). Их формирование было объяснено множественным скольжением и сколами, которые присущи процессу пластической деформации и квазихрупкого разрушения наклепанного материала соответственно [82, 135, 137]. Однако в предложенных моделях не было дано оценки того факта, какой профиль (модель) характеризует начало, какой профиль (модель) — середину и окончание II стадии стабильного роста трещины.

Изложенная модель формирования усталостных бороздок объясняет результаты регистрации сигналов АЭ в обоих полуциклах нагружения образца, связывает их с процессом упругого и упру-гопластического разрушения материала. Она позволяет объяснить увеличение скорости роста трещины при возрастании отрицательной составляющей цикла нагружения по модулю, а также изменение профиля усталостных бороздок на переходных

Рис. 8.5. Схема (а) нагружения образца из сплава Д16Ти (б) соответственно этому нагруже-нию фрактограмма зон пластического затупления вершины трещины при однократном увеличении максимального напряжения цикла, характеризующая формирование усталостных бороздок в первом (1—1'), втором (2—2') и далее полуциклах нагружения образца

Обнаружено явление, заключающееся в различии у ряда конструкционных материалов параметров петель гистерезиса в четных и нечетных полуциклах нагружения и приводящее к накоплению односторонних деформаций. Указанное отражает новую закономерность циклической пластичности — циклическую анизотропию свойств материалов. Дано аналитическое описание явления, определены параметры, характеризующие степень циклической анизотропии свойств.

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.

Исследования были проведены на аустенитной нержавеющей стали Х18Н10Т, склонной к интенсивному деформационному старению. Трубчатые образцы диаметром 21 мм и толщиной стенки 1,5 мм испытывали при растяжении-сжатии (частота нагружения приблизительно 1 цикл/мин) на установке типа УМЭ-10 т, снабженной вакуумной системой и средствами исследования микроструктуры на поверхности образца [1]. Указанная установка оборудована также системой управления силовозбудителем для получения двухчастотного режима нагружения (частота около 20 цикл/мин) и автоматическим устройством для программного нагружения с временными выдержками на экстремальных уровнях нагрузки в полуциклах нагружения. Испытания были проведены при моногармоническом малоцикловом нагружении, при нагружении с выдержкой 5 мин при1 максимальной (по абсолютной величине) нагрузке в полуциклах, а также с наложением нагрузки второй частоты в процессе выдержки при температурах 450° С и 650° С [2]. При исследованиях структуры использованы методы световой (для определения числа, размера и характера расположения частиц), ионной и просвечивающей электронной микроскопии (для определения характера распределения карбидов и легирующих элементов), электронной микроскопии со снятием реплик с зон изломов, а также методы рентгеноструктурного (для определения степени искаженности кристаллической решетки в зависимости от уровня нагрузки) и рентгеноспектрального анализа. Образцы исследовались в зонах разрушения.

На рис. 5 показана кинетика ширины петли гистерезиса в четных 6(2П> (фаза сжатия) и нечетных 6<2n-1* полуциклах нагружения в связи с варьированием времени нагрева и выдержки. Умеренное уменьшение ширины петли по числу циклов, характерное для небольших времен нагрева и выдержек, с увеличением времени выдержек сменяется процессом ее стабилизации или даже увеличения. При этом существенно возрастает величина необратимо накопленной деформации за цикл Аб = 6(2П> — 6(2П~Х>, что определяется в основном полнотой завершения эффекта выравнивания температурного поля и частично эффектом ползучести, если учитывать большие длительности пребывания образца при высокой температуре в нагруженном состоянии.

Наличие максимума на кривой ат—N при неизотермическом малоцикловом нагружении можно объяснить описанным выше процессом накопления повреждений в полуциклах растяжения и сжатия. Можно полагать, что значение ат=а°г%* (оптимальное) соответствует такому соотношению предельных напряжений в цикле, при котором процесс деформирования совершается с наименьшей работой деформации. Увеличение долговечности при небольших значениях ат, или, во всяком случае, отсутствие влияния таких величин от, отмечено в отдельных исследованиях [2]. Однако этот факт не был объяснен, либо говорили о возможном разбросе данных эксперимента. Как видно, наличие максимума по оси долговечности подтверждается достаточно уверенно, и это обстоятельство можно представить вполне закономерным. Различие свойств материала в полуциклах растяжения и сжатия на первом этапе можно учесть в следующем виде [24, 72]. Если за основной параметр, определяющий повреждение, принять превышение предела текучести (в напряжениях) в каждой половине цикла, то коэффициент асимметрии можно записать в виде

Таким образом, уравнение (5.50) учитывает то обстоятельство, что приращение повреждения за каждый цикл есть функция не только действующих факторов, но и предварительного повреждения, внесенного в материал к рассматриваемому моменту времени, т. е. учитывает предысторию .нагружения. Следует указать, однако, что особенности неизотермического термо-усталостного нагружения и, в частности, различная величина энергии деформирования в полуциклах растяжения и сжатия требуют более подробного анализа влияния статической нагрузки.

Непостоянство температуры в цикле проявляется при этом не только в изменении вида петли гистерезиса (рис. 80), но и в положении ее относительно осей координат. При неизотермическом нагружении петля 0—е смещена так, что энергия деформирования :в полуциклах растяжения и сжатия различна, и это определяется не только эффектом Баушингера (как это имеет место при изотермическом нагружении), но и разными механическими свойствами материала при различных значениях температуры. Следствием этого является различие в величинах повреждаемости, накапливаемой в четных и нечетных полуциклах. Обычно при жестком нагружении термическими напряжениями основная доля повреждаемости накапливается при ^=^тах, т. е. в нечетных полуциклах (при действии сжимающих напряжений). Создается асимметрия цикла по (повреждаемости; это приводит к наличию максимума по оси N для зависимости ат—N

ция напряжений, а следовательно, и процесс развития деформаций ползучести, происходят более активно, чем в случае, когда блок п2 находится в середине (рис. 93,6). Причиной этого является уменьшение к указанному врем-ени исходных величин напряжений в цикле вследствие перемещения петли а—г вверх по оси а, происходящего из-за различия свойств материала в полуциклах растяжения и сжатия.

Анализ перераспределения напряжений от внешней нагруз-•ки, действующих при вершине трещины в полуциклах растяжения и сжатия при знакопеременном цикле нагружения, позволил построить схему остановки развития трещины, в основе которой лежит закономерность изменения асимметрии действительного цикла напряжений в вершине трещины при ее развитии.

Изменение асимметрии цикла нагружения в вершине трещины с ее ростом. Перераспределение напряжений от внешней нагрузки, действующих в области вершины трещины в полуциклах растяжения и сжатия, может вызывать осташжку развития усталостной трещины. Анализ такого перераспределения был проведен в работах И. В. Кудрявцева и В. Линхарта. На рис. 9,а показана схема распределения осевых напряжений в образце с концентратором, полученная при испытании на усталость при симметричном цикле напряжений (растяжения-сжатия) с амплитудой номинального напряжения оы. До возникновения усталостной трещины эпюры растягивающих и сжимающих напряжений идентичны, а материал в области вершины концентратора реально подвергается нагружению по симметричному циклу с амплитудой ааОн и R = — 1 (цикл /—2). Если эта амплитуда превышает предел выносливости исследуемого материала, то в вершине надреза возникает усталостная трещина. После ее развития на глубину / распределение сжимающих напряжений не изменится, так как трещина, сомкнувшись, будет передавать нагрузку как исходное неповрежденное сечение, а по величине сжимающие напряжения при вершине трещины уменьшаются; растягивающие напряжения сконцентрируются в вершине трещины, максимум их будет соответствовать величине аат(Тн(аат — теоретический коэффициент концентрации напряжений для трещины глубиной h + l).

Рис. 27. Параметры надреза-трещины (а) и распределение напряжений у его вершины (б) от исходного надреза (кривая /) и от надреза-трещины в полуциклах растяжения (кривая 2) и сжатия (кривая 3)

Микроструктурные особенности деформационного старения образцов при различных временах изотермической выдержки в полуциклах растяжения и сжатия исследовали методами световой, электронной и интерференционной микроскопии, а также измерением микротвердости. При каждом режиме испытания образцы подвергали 1; 3; 5; 7 и 10 циклам нагружения (продолжительность каждого цикла составляла 7 мин).

ются микрообласти, размер которых занимает 1/3—Ve части зерна (места А и В), деформация по которым в 2—3 раза и более превышает среднюю деформацию образца; в таких «слабых» объемах может накапливаться пластическая деформация весьма большой величины, приводя в процессе повторных нагружений к исчерпанию пластичности по локальным объемам и развитию начальных микротрещин; 3) «слабые» микрообъемы обычно находятся в окружении «сильных» областей (места С, D, Е), деформация по которым очень мала или даже близка к нулю, что является своеобразным «тормозом» развития и продвижения начальных микротрещин, пока число их не достигнет критического значения и не создадутся условия слияния их в магистральную трещину; 4) наблюдается достаточно устойчивое закрепление мест повышенной и уменьшенной деформации, остающихся «слабыми» или «сильными» в процессе циклического деформирования как в полуциклах растяжения» так и сжатия, что указывает на частично «обратимый» характер развития иеупругих деформаций по локальным областям металла при знакопеременном нагружений (величина коэффициента корреляции, характеризующего тесноту связи интенсивностей локальных деформаций по фиксированным микрообъемам в процессе увеличения числа циклов нагружений превышает 0,9); закрепление мест повышенной и уменьшенной деформации, сложившееся на первых циклах нагружения, сохраняется в процессе повторных нагружений, указывая на то, что структура поликристаллического сплава является достаточно «жесткой» конструкцией с устойчивыми связями между ее элементами в процессе работы. С развитием явных повреждений по микрообъемам (разрушение, связанное с развитием микротрещин) начальная картина распределения локальных деформаций, естественно, будет нарушаться. Если принять, что интенсивность усталостного повреждения непосредственно определяется развитостью неупругих деформаций [2],

При симметричном цикле деформаций (рис. 3) при температуре t, когда выдержки осуществляются при достижении максимальных и минимальных деформаций цикла, напряжения 5 изменяются непропорционально деформациям ё. Для определения эквивалентного (по повреждаемости) времени цикла тцэ следует учитывать скорость деформирования и нагружения в полуциклах растяжения и сжатия, различную чувствительность материалов к выдержкам при растяжении и сжатии, а также соотношение времени выдержки в полуцикле растяжения и сжатия (обозначения соответствующих времен приведены на рис. 3)

Сопоставление результатов расчета по уравнению (14) (кривые) и данных экспериментов [45] (точки) для аустенитной нержавеющей стали при температуре 650° С, когда выдержки осуществлялись только в полуциклах растяжения, показано на рис. 5.