Временными выдержками

В большинстве проведенных к настоящему времени работ по •исследованию микромеханического поведения композитов явно или неявно предполагается, что компоненты композиционного материала являются линейно упругими. Однако при приложении нагрузки многие из этих материалов, в особенности материалы, которые обычно используются для изготовления матрицы, не сохраняют своих линейных свойств. Для некоторых материалов эта нелинейность может быть хотя бы частично обусловлена вязкоупругостью — временными эффектами, которые обсуждались в гл. 4. С другой стороны, как только приложенная нагрузка превосходит определенное значение, равное пределу текучести материала, для большинства материалов обнаруживается нелинейность, не зависящая от временных факторов. Этот последний тип нелинейности, проявляемый вне упругой •области, называется пластичностью. Таким образом, термин •«упругопластическое поведение» обычно означает, что рассматривается процесс нагружения в целом.

Механическая нагрузка (внутреннее давление). Влияние этого фактора исследовано при давлении 6,7 и 8 МПа, длине мембранной зоны / > 8 г, температуре 700 °С, времени выдержки при постоянной нагрузке 15 с (рис. 2.69, б, табл. 2.8). Характер и место разрушения в рассматриваемом случае определяются временными эффектами. Так, при давлении 8 МПа в безмоментной зоне происходят процессы ползучести и имеются условия для накопления деформаций. В итоге в мембранной зоне происходит квазистатическое разрушение. При уменьшении давления до 7 и 6 МПа накопления деформаций в безмоментной зоне не происходит и предельное состояние быстрее достигается в зоне концентрации.

лического упругопластического деформирования, а также исключение из рассмотрения квазистатических повреждений, обусловленных временными эффектами на этапе выдержки, приводят к существенно завышенной оценке действительных значений малоцикловой долговечности.

Это деление в определенной мере является условным, так как в ряде случаев установки ОНД позволяют реализовывать трехосное нагружение, установки ОНД или ОН К могут быть переделаны в установки ОНКД и т. д. Классифицируют установки также по способу создания усилия: непосредственный (путем подвески калиброванных грузов), механический (с ручным и электрическим приводом), электромагнитный, гидравлический и электрогидравлический. Непосредственный и электромагнитный способы в основном применяют при изучении явлений, связанных с временными эффектами (ползучестью, релаксацией и т. п.) механический и гидравлический — при изучении статического и циклического стационарного нагружения 1, электрогидравлический — при нестационарном нагружении. В ряде случаев применяют и другие способы создания нагрузок, например термоциклирова-ние (создание напряжений за счет нагрева и охлаждения стесненного образца), но они ограничены специальными областями исследований.

В настоящее время в области температур, где временными эффектами можно пренебречь, имеется ряд предложений для выражения зависимостей между напряжениями и деформациями при циклическом упругопластическом нагружении. К ним в первую очередь относятся обобщенная диаграмма циклического деформирования [2—61, а также способы представления диаграмм циклического деформирования в форме обобщенного принципа Мазинга, развитого в [1], и в форме циклической кривой (диаграммы) Мор-роу [8].

Механическая нагрузка (внутреннее давление). Влияние этого фактора исследовано при давлении 6,7 и 8 МПа, длине мембранной зоны / > 8г, температуре 700 °С, времени выдержки при постоянной нагрузке 15 с (рис. 2.69, б, табл. 2.8). Характер и место разрушения в рассматриваемом случае определяются временными эффектами. Так, при давлении 8 МПа в безмоментной зоне происходят процессы ползучести и имеются условия для накопления деформаций. В итоге в мембранной зоне происходит квазистатическое разрушение. При уменьшении давления до 7 и 6 МПа накопления деформаций в безмоментной зоне не происходит и предельное состояние быстрее достигается в зоне концентрации.

лического упругопластического деформирования, а также исключение из рассмотрения квазистатических повреждений, обусловленных временными эффектами на этапе выдержки, приводят к существенно завышенной оценке действительных значений малоцикловой долговечности.

В связи с температурно-временными эффектами различают малоцикловую и длительную малоцикловую усталость. В последнем случае становятся значительными ползучесть, релаксация, непостоянство механических свойств конструкционных материалов и другие особенности высокотемпературного нагружения, реализующиеся с течением времени.

Таким образом, рассмотренные критерии охватывают практически важные условия термомеханического нагружения, реализуемые в опасных зонах, конструктивных элементов. Однако они не учитывают, с одной стороны, кинетику процесса упругопластическо-го деформирования (предполагается стабилизация процесса циклического деформирования), развитие которого особенно характерно для мягкого и промежуточных режимов малоциклового деформирования, и обусловлено временными эффектами на этапах выдержки при экстремальных температурах цикла нагрева, а с другой стороны, нестабильность циклических свойств конструкционных материалов, особенно в области высоких температур.

длительного малоцикло-вого деформирования для k-l и ^-го полуциклов на-гружения при наличии выдержки, отражающая изложенную выше простейшую модель. Изоцик-лическая диаграмма деформирования построена в координатах S—е, изохронные кривые — в координатах о—е. При мгновенном нагружении (линия 1) временные эффекты не проявляются. Активное нагружение (линия 2) сопровождается временными эффектами. Для текущей необратимой деформации можно записать уравнение

При температурах, близких к нормальной, когда временными эффектами можно пренебречь, более удобно использовать склерономный вариант модели, соответственно аппроксимируя реологическую функцию (см. § 25). В этом случае свойства подэлементов характеризуются диаграммами идеально пластического тела с предельной упругой деформацией гв = гв (Т) г&. Приращение неупругой деформации находится методом последовательных приближений соответственно выражениям (9.2). После определения в некотором приближении (из «упругого» решения) поля деформаций в конце шага [еа] «неупругое» решение сводится к тому, чтобы по значению неупругой деформации в начале шага [р* ] и значениям полной деформации и температуры в конце него найти фиктивные упругие деформации (такими были бы упругие деформации в подэлементах, если бы прирост неупругой деформации за шаг отсутствовал)

эксплуатации (низкочастотный цикл с выдержкой) и сопутствующее им наложение вибраций от работы других механизмов (высокочастотная составляющая). Максимальная нагрузка, развиваемая силовозбудителями испытательной установки составляет от 0 до ±5000 кгс и может быть перераспределена между высокочастотной и низкочастотной составляющими в любых пропорциях по указанному диапазону, а их частоты — соответственно 30 ГЦ и ОД-Н,0 цикл/мин. При режимах нагружения с временными выдержками время низкочастотного цикла зависит от их продолжительности. Для обеспечения возможности проведения испытаний по указанным режимам в области высоких температур разработана система радиационного нагрева образца (рис. 4), а также изменена конструкция захватов, которые выполнены из жаропрочного сплава ЭИ-437Б с системой охлаждения и предусматривают возможность компенсации температурного удлинения системы «захваты — образец» в процессе нагрева последнего до заданной температуры. Форма испытываемого образца принята трубчатой, что повышает его устойчивость и позволяет расположить внутри него стержневой нагреватель 2, изготовленный из дисилицида молибдена, который сохраняет свою работоспособность на воздухе при температуре на его поверхности до 1700° С [5], обеспечивая тем самым диапазон рабочих температур на образце от 20 до 1200° С. Активный 3 и пассивный 4 захваты с целью предотвра-

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.

При 450° С при моногармоническом и программном нагружени-ях (нагружение с временными выдержками в течение 5 мин на

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.

Рассмотрены структурные изменения стали Х18Н10Т при одно- и двух-частотном нагружении и при нагружении с временными выдержками в условиях малоциклового упруго-пластического деформирования при 450° С. Показано, что при 450° С структурные изменения сопровождаются развитием блочной структуры и выпадением преимущественно карбидов титана, в то время как нагружение при 650° С связано с интенсивным выпадением карбидов хрома.

Проведено фрактографическое исследование образцов стали Х18Н10Т при одно- и двухчастотном нагружении и при нагружении с временными выдержками в условиях малоциклового деформирования при 450° С. Показано, что размер впадин на изломе и величина карбидов в зоне разрушения зависят от количества вязкой составляющей.

Таким образом, анализируя рассмотренные выше экспериментальные данные по малоцикловому деформированию при мягком режиме нагружения с временными выдержками на экстремумах нагрузки (см. рис. 4.8—4.10), можно видеть, что как температура испытаний, так и форма цикла накладывают свои особенности на кинетику деформаций в этих условиях. В общем случае для комнатной и умеренных температур кинетика ширины петли пластического гистерезиса Ъ и односторонне накопленной в циклах деформации ё№> описывается зависимостями (2.10) и (2.18). Причем для циклически упрочняющихся материалов в двойных логарифмических координатах, что соответствует степенному виду кинетической функции, они представляют собой прямые ниспадающие линии (рис. 2.3, б), а для циклически разупрочняющихся материалов в полулогарифмических координатах — прямые восходящие линии (рис. 2.3, а), отвечающие экспоненциальному виду этих зависимостей. Как показывают приведенные выше экспериментальные данные для высоких температур и сложной формы цикла нагружения, в этих условиях наблюдается более сложный характер поведения деформационных характеристик. Так, уже при 450° С сталь Х18Н10Т обнаруживает в исходных циклах некоторое упрочнение, переходящее затем на основной стадии процесса деформирования в циклическое разупрочнение, причем это характерно как для нагружения с треугольной, так и с трапецеидальной формами цикла. Если при t — 450° С степень разупрочнения еще невелика, то с повышением температуры до 650° С, когда начинается интенсивное проявление в материале темпера-турно-временных эффектов, кинетика деформаций становится ярко выраженной и в существенной степени зависящей от времени, формы цикла и уровня нагружения. Указанные обстоятельства не учитываются зависимостями (2.10), (2.18) и для их описания было предложено [13] связать параметры этих уравнений с механическими свойствами материалов, а последние рассматривать зависящими от температуры и времени нагружения.

щает количество необходимого испытательного оборудования и облегчает УСЛОВИЯ его эксплуатации. Двухчастотные режимы мягкого и жесткого нагружения (рис. 2.11, д) осуществляются при одновременной работе высокочастотного и низкочастотного возбудителей, причем первый из них может быть получен при подаче в систему управления сигнала обратной связи с динамометра, а второй — с деформометра установки. В случае включения в цикл изменения суммарной нагрузки на ее экстремальных значениях временных выдержек может быть осуществлен трапецеидальный двухчастотный цикл (рис. 2.11, е), имитирующий, например, режимы пуска, работы и останова агрегатов в процессе эксплуатации (низкочастотный цикл с выдержкой) и сопутствующее им наложение вибраций от работы других механизмов (высокочастотная составляющая). Максимальная нагрузка, развиваемая силовоз-будителями испытательной установки, составляет от 0 до rb^OOOO H и может быть перераспределена между высокочастотной и низкочастотной составляющими в любых пропорциях по указанному диапазону, а их частоты — соответственно 30 Гц и 0,1—1,0 цикл/мин. При режимах нагружения с временными выдержками время низкочастотного цикла зависит от их продолжительности. Чтобы иметь возможность провести испытания по указанным режимам в области высоких температур, разрабо-

Рис. 4.33. Микротрещины на стадии разрушения образца при на-гружении с временными выдержками (а), одночастотном (б) и двухчастртном нагружениях стали (в) Х18Н10Т, Т = 650° С

В связи с тем что при высоких температурах частота нагружения и форма цикла могут существенно влиять на сопротивление-развитию трещины, указанные установки, как показано в разделе 2, модернизированы для проведения на них программных испытаний, в том числе при двухчастотном нагружении [37—39]г нагружении с временными выдержками [32] на экстремальных уровнях нагрузки в полуциклах (либо в одном из них — в полуцикле растяжения или сжатия), при длительном статическом нагружении.

нагрузки: чем выше уровень напряжений, тем меньше этот период. При одних и тех же уровнях номинальных напряжений в случае наличия временной выдержки в полуциклах (рис. 6.10) наблюдается более медленное развитие во времени трещины: реверсирование нагрузки вызывает дополнительное повреждение материала во времени, хотя в поцикловом выражении число циклов до разрушения оказывается большим, чем при нагрузкении с временными выдержками.

На основе представлений о разрушении как предельной работе микронапряжений на пути пластической и упругой деформации предложен энергетический критерий в деформационных терминах, единый как для малоцикловой, так и многоцикловой усталости, а также критерий длительного статического разрушения с экспериментальной проверкой их в условиях статического и циклического нагружений, в том числе программного (одночастотное и двухчастотное, нагружение с временными выдержками, многоступенчатое, с чередованием видов нагружения и т. д.) с привлечением теплофизического анализа и проведением термодинамического эксперимента.