книги / Структура и прочность конструкционных материалов
..pdfИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОГРАММЫ
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА СТРАН — ЧЛЕНОВ СЭВ
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЦЕНТР |
ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ |
НАУЧНОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ |
ИМ. А.А. БЛАГОНРАВОВА АН СССР |
ИНФОРМАЦИИ |
|
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИМ ПРОГРЕСС
ВМАШИНОСТРОЕНИИ
ВЫ П У С К 4
А. Н. РОМАНОВ
Структура и прочность конструкционных материалов
(АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР)
Под редакцией академика К. В. ФРОЛОВА
МОСКВА
1988
Международный центр научной и технической информации принимает для публикации в выпускаемых сборниках рекламные объявления.
Справки по телефону 198-72-10.
©Международный центр научной и технической информации; Институт машиноведения им. А. А. Благонравова АН СССР, 1988
В В Е Д Е Н И Е
Тенденции развития машиностроения обусловливают дальнейшее увеличение ресурса конструкций при одновремен ном росте их единичной мощности с надлежащим обеспечени ем качества и надежности, в том числе по критериям проч ности и долговечности.
Как известно, повышение единичной мощности связано с увеличением металлоемкости конструкций и ростом рабо чих параметров (единичная мощность, рабочая температура, высокое давление, болыйая грузоподъемность, маневрен ность и т.д.), связанным, как правило., с работой конст
рукционных материалов в экстремальных условиях при слож ном температурном и Силовом воздействии; Это в первую очередь относится к энергетическому, транспортному, хи мическому, металлургическому машиностроению, судострое нию и летательным аппаратам. При эксплуатации такого ро да изделий машиностроения происходит изменение рабочих параметров во времени, в результате отдельные детали и узлы, находящиеся в условиях высоких температур, испы тывают циклические температурно-силовые воздействия. Длительные сроки эксплуатации оборудования приводят к изменению структурного состояния материалов, вызывающе го снижение сопротивления циклическому и длительному статическому разрушению и накоплению повреждений.
Традиционные методы оценки ресурса для случая высо ких температур и сложных температурно-силовых воздейст вий оказываются малопригодными для расчета оборудования, работающего в указанных условиях. В связи с этим стано вится необходимой разработка новых методов расчета эле-? ментов конструкций на базе соответствующих критериев разрушения со всесторонним их обоснованием путем прове дения сложного эксперимента по испытаниям материалов и элементов конструкций в условиях, приближающихся к экс плуатационным.
Расчет элементов конструкций при циклическом и ста
тическом нагружении базируется на основе анализа работы
конструкций и на исследовании закономерностей сопротив ления деформированию и разрушению конструкционных мате риалов программному высокотемпературному нагружению.
Воздействие высоких температур и нагрузок, как пра вило.', переменных во времени вызывает протекание струк турных изменений в материале, активизируемых развитием деформационных процессов. Структурные превращения в свою очередь вызывают изменение характеристик сопротив ления деформированию и разрушению.
Знание этих закономерностей позволяет оценить с при влечением соответствующих критериев исходный и остаточ ный ресурс на стадиях проектирования и эксплуатации.
Оценка несущей способности элементов конструкций по критериям циклического разрушения осуществляется как на стадии образования, так и развития трещин. Для каждой из указанных стадий существуют свои подходы, методы и критерии разрушения.
Указанные подходы и критерии широко освещены в науч но-технической литературе и в нормативно-технической до кументации, и в связи с этим в силу ограниченного объе ма данного издания автор не ставил своей целью их широ кое обсуждение. В выпуске излагаются в основном работы автора в этой области, выполненные в Институте машино ведения им. А.А. Благонравова АН СССР.
Автор выражает благодарность М.М. Гаденину, В.В. Ма лову, В.М. Юнину и С.В. Аушевой за помощь при проведении эксперимента.
Глава 1, ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
1.1. Особенности деформирования и разрушения конструкционных материалов
в связи с их структурным состоянием
Основные закономерности малоциклового деформирова ния в настоящее время уже достаточно хорошо изучены. Ни же рассматриваются особенности деформирования и разру шения конструкционных материалов при высоких температу рах/ когда проявляются температурно-временные эффекты: ползучесть, релаксация и структурные изменения материа ла. Особое внимание уделено исследованиям при цикличе ском нагружении в условиях интенсивного деформационного старения, сопровождающегося изменением прочностных и пластических свойств материалов во времени. Причем ин тенсивность и характер этих изменений зависят также и от условий деформирования и в первую очередь от формл цикла и частоты нагружения. Учет изменений пластических свойств во времени, определяющих сопротивление материа ла малоцикловому разрушению, требует проведения сложных экспериментов в условиях, приближающихся к эксплуата ционным, во многих случаях характеризующихся активным деформационным старением.
Для того, чтобы судить о поведении материала при эксплуатации элемента конструкции, необходимо прежде всего знать, к какому типу относится выбранный мате риал: циклически упрочняющийся, разупрочняющийся или стабилизирующийся.
При циклическом нагружении об упрочнении, разупроч нении или стабилизации судят по характеру изменения либо петли гистерезиса (мягкое нагружение), либо дейст вующего условного напряжения (жесткое нагружение): для
циклически упрочняющего материала ширина петли с ростом числа циклов нагружения уменьшается, для разупрочняюще гося - увеличивается и для циклически стабильного оста ется практически постоянной.
Характер циклического поведения материала может быть определен по кривым однократного разрыва образца Jl].
Для циклически упрочняющихся материалов при стати ческом нагружении практически до момента разрушения наблюдается рост условных напряжений (кривая 1 на рис. 1.1), т.е.; упрочнение материала за счет пластической
деформации протекает более интенсивно, чем разупрочне ние за счет уменьшения сечения. У разупрочняющихся мате риалов большая доля накопления деформаций (ев<0,5еобщ, где ев - деформация, соответствующая пределу прочности ов) при статическом нагружении сопровождается падением условных напряжений (кривая 2 на рис. 1.1). Для цикли чески стабилизирующегося материала (кривая 3 на рис.1.1) имеют место практически равные участки упрочнения (роста напряжений) и разупрочнения (падения напряжений), т.е. ев=0,5еОбщ* Причем, как и при циклическом деформирова нии, начальная стадия статического растяжения у всех типов материалов характеризуется упрочнением (ростом на пряжений до ов).
Р
/
О
*ист /*ист р
Рис. 1.1. Характер кривых статического растяже ния упрочняющегося, разупрочняющегося и цикли чески стабилизирующегося материалов
Условия нагружения, как правило, изменяют характер поведения материалов. Циклически стабильные материалы при испытании при повышенных температурах склонны к упрочнению, как это можно видеть по кривым на рис. 1.2,6 для аустенитной стали Х18Н10Т, являющейся стабильной при комнатной температуре. Увеличение температуры испы тания этой стали резко увеличивает значение равномерной деформации ев на кривых статического растяжения вправо. Причем длительность периода упрочнения увеличивается с
повышением уровня температуры (п|50%т1*5о0>ла5о0>г|ао0).
° fl В O g
Увеличение Пв с ростом температуры испытания для данной стали связано с тем, что процесс ее деформационного ста рения усиливается с ростом температуры испытания и яв ляется максимальным при температурах 600-700ЧС. Дальней шее увеличение температуры, по-видимому, приведет к уменьшению цв вследствие разупрочнения материала от перестаривания,и разупрочняющий эффект температуры будет превалирующим.
Следует заметить, что по кривым статического растя жения можно также определить, склонен ли материал при данной температуре испытания к деформационному старению и как велика интенсивность его протекания.
Известно, что развитие процессов старения протекает во времени и может быть интенсифицировано' пластической деформацией: чем меньше уровень деформации, тем большее время необходимо для получения определенной степени состаривания материала, и наоборот большим уровням дефор маций соответствует меньшее время для достижения задан ной степени состаривания.
В начальный момент статического нагружения с ростом нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности, процесс деформационного'старения или совсем не проявля ется, или проявляется слабо и уровень предела пропорцио нальности определяется температурой испытания. С нача лом развития пластической деформации интенсифицируется процесс деформационного старения, вызывая упрочнение материала. В результате при температуре интенсивного протекания деформационного старения наблюдается не про порциональное снижение предела пропорциональности и пре дела прочности по сравнению с комнатной температурой.
Как это |
видно из |
рис. 1.2,6: |
|
|
||
оао |
|
О ™ |
.20 |
у20' |
оао° |
Оао |
> |
|
В |
||||
_ £ --- |
--- |
|
-550° |
J2--- |
> ___ |
|
оа5°° |
|
оав®° |
- 5 3 О 1 |
О 6 5 0 ° |
„ 6 6 0 ° |
|
|
|
|
Р |
|
Р |
В |
Рис. 1.2. Кривые статического растяжения сталей Х18Н10Т, ТС, 22К и алюминиевого сплава АД-33
сивнее упрочняется материал. Например, для стали Х18Н10Т
|
о - а |
приблизительно 1,5, |
а для алюми- |
величина '— ■■ равна |
|||
|
°в |
только лишь 0,25, |
т.е. значения |
ниевого сплава АД-33 |
|||
о_-о„ |
|
|
|
в |
р |
|
|
— |
отличаются в 6 раз (соответствующие кривые 1 на |
рис. 1.2,а,б). Вместе с тем АД-33 является материалом упрочняющимся (пв=0,9), а сталь Х18Н10Т - циклически стабильным (пв=0,5) . С изменением условий нагружения
о - о (температуры испытания) отношение в Р также изменяет
ся, а вместе с ними изменяется и интенсивность упрочне ния.
Тип материала определяет характер накопления по вреждений при циклическом нагружении [l-б]. При N <10э циклов в условиях жесткого нагружения накопление По вреждений с ростом числа циклов может быть описано в виде
Nr> с2 |
NP еу® |
|
|
|
’Р |
6* |
|
|
|
' |
Iï dN+' |
|
|
|
при мягком: |
|
|
|
|
§î |
<6-6 'Не-б> |
dN+^p i î dN-i, |
|
|
где ô - ширина петли |
пластического |
гистерезиса, N |
- раз |
|
рушающее число циклов, в - деформация при статическом |
||||
разрыве, которая может быть и удлинением на базе изме |
||||
рения циклических деформаций для материалов и условий |
||||
нагружения, когда справедлива зависимость Коффина |
П Ь |
|||
е - определяется как |
е=0*5вист< (где еист# |
; |
ф - поперечное сужение при статическом разрушении); (6-6') - односторонне накопленная деформация.
В зависимости от типа материала величина е может
отличаться как от е___ , так и от |
в. „„ , . В связи с |
ист. |
ист. / 2 |
этим различными авторами предлагались значения в, |
кото |
||
рые отличаются как от е„_, так и от |
в„___. и даже |
||
ист. |
ист./а |
” |
|
е>еист.
Как уже отмечалось, при высоких температурах сущест венным фактором, сопровождающим процесс деформирования и оказывающим влияние на изменение механических свойств
материала, а в связи с этим и на кинетику деформационных характеристик, является деформационное старение, интен сивность протекания которого зависит от уровня цикличе ских деформаций и формы цикла нагружения [3-7].
Как показали исследования, при одночастотном мягком нагружении (частота около 1 цикл./мин Т=650°С) в тече ние первых циклов сталь Х18Н10Т упрочняется и деформи рование сопровождается уменьшением циклической пласти ческой деформации бк (рис. 1.3,а), причем интенсивность упрочнения зависит от уровня действующих напряжений.
При этом стадия упрочнения при меньших амплитудах дейст
вующих напряжений (о_=240 МПа) протекает более длительCL