Механические свойства сталей и сплавов при нестационарном нагружении. Справочник.

Гохфельд Д. А., Гецов Л. Б., Кононов К. М., Кульчихин Е. Т.,

Екатеринбург, 1996 г.

НАКОПЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛА

Под разрушением материала понимают нарушение его сплошности, вплоть до разделения тела на части, происходящее в результате механического воздействия; последнее может сочетаться с тепловыми и другими типами воздействий.

Описание процессов, приводящих к разрушению,— задача, значительно более сложная, чем моделирование реологических свойств материала. Трудности связаны с существованием инкубационной стадии, которая может не сопровождаться изменением каких-либо наблюдаемых параметров, а также с необходимостью отражения более сильного (по сравнению с процессами деформирования) влияния неоднородности структуры материала, наличия в последней дефектов. В связи с этим большее влияние приобретают случайные факторы.

С определенной долей условности процесс разрушения делят на следующие этапы:

а) рассеянное повреждение, происходящее, по предположению, равномерно во всем объеме рабочей части образца. Оно заканчивается образованием макротрещины, т. е. трещины таких размеров, при которых однородность напряженного состояния заметно нарушается. Обычно такой считают трещину длиной 1—1,5 мм, определенную визуально либо на основании косвенных признаков;

б) живу честь — стадия, характеризующаяся постепенным устойчивым ростом трещин и заканчивающаяся критическим состоянием; за ним непосредственно следуют быстрый (лавинный) рост магистральной трещины и излом — окончательное разрушение.

Традиционно при оценке прочности и долговечности деталей машин и элементов конструкций предельным (опасным) состоянием считают образование макротрещины. Внимание к этапу живучести определяется стремлением к наиболее полному использованию прочностных резервов конструкции в целях повышения ее технико-экономических показателей. В то же время анализ работы тела с трещинами, выявление условий их развития или, наоборот, торможения имеет большое значение для предотвращения внезапных поломок и связанных с ними аварий, поскольку в деталях машин микро-, а иногда и макротрещины (дефекты структуры) существуют изначально. Они зарождаются еще при изготовлении как результат тех или иных технологических процессов.

Необходимость оценки долговечности по критерию возникновения трещины при разных программах нагружения привела к введению понятия поврежденности. Этот термин отражает развитие определенных физических процессов, приводящих к постепенному образованию в материале микродефектов разного типа. Количественное определение поврежденности основывается на феноменологических моделях, дающих, по предположению, интегральную оценку состояния материала; модели связывают эволюцию специального параметра со с изменением других параметров механического со состояния. По мере накопления повреждений приближается момент, когда значение достигает некоторого предела, с которым связывают появление макротрещины.

Если классифицировать РАЗРУШЕНИЕ в связи с характеров внешнего воздействия, можно выделить следующие основные случаи:

а. Кратковременное статическое разрушении при монотонном нагружении образца (обычно со скоростью де формации, близкой к постоянной) в условиях нормальной или повышенных температур. РАЗРУШЕНИЕ в данном случае определяется в основном конечным состоянием, поэтому процесс накопления поврежденности не рассматривается.

б. Длительное статическое разрушение, развивающееся в условиях ползучести при повышенных температурах (имеются в виду конструкционные сплавы). Использование представления о поврежденности позволяет оценивать долговечность при переменных напряжениях и температурах (они могут изменяться блоками — по этапам либо непрерывно).

Различают также квазистатическис разрушения, которые отличаются от соответствующих статических тем, что кратковременная (пластическая) или (и) длительная (ползучесть) неупругая деформация накапливается не непрерывно, а поэтапно, приращениями, в соответствии с реализуемой программой нагружения. Здесь использование понятия поврежденности также может быть целесообразно.

в. Усталостное малоцикловое разрушение, происходящее в результате знакопеременного циклического неупругого деформирования — пластического или (и) вязкого (ползучесть). В этом случае большое значение имеют оценки долговечности по числу циклов на этапах рассеянного разрушения (накопление усталостного повреждения) и живучести (устойчивый рост усталостной трещины).

г. РАЗРУШЕНИЕ вследствие многоцикловой (N>5 * 104 циклов) или, как ее иногда называют, высокочастотной усталости, вызванной циклическим деформированием в пределах упругости. Рассмотрение обоих этапов разрушения здесь играет ту же роль, что и в случае малоцикловой усталости.

Заметим, что существует представление [95], согласно которому процессы мало- и многоцикловой усталости имеют сходный характер, поскольку и в последнем случае деформации фактически выходят за пределы упругости, однако ширина петли гистерезиса настолько мала, что во внимание не принимается; ее можно обнаружить лишь при измерениях высокой точности.

В реальных условиях РАЗРУШЕНИЕ деталей машин и аппаратов часто имеет смешанный характер — оно может быть результатом сочетания малоциклового и длительного нагружения, двухчастотного нагружения с числами циклов на каждой из частот, порядок которых соответствует условиям мало- и многоцикловой усталости, других типов комбинированного нагружения. При сложных циклах нагружения процесс накопления повреждения на каждом из этапов (быстром нагружении, выдержке) имеет свои особенности, которые необходимо учитывать. Проблема суммирования повреждений разного типа с учетом их взаимного влияния при комбинированных нагружениях чрезвычайно сложна (см. в главах A3 и А6 эмпирические данные и методы математического описания процессов повреждаемости).

Малоцикловые разрушения, при которых определяющую роль играют циклические изменения температуры и возникающие вследствие стесненности тепловой деформации напряжения, называют термической усталостью. Такие разрушения наблюдаются во многих термонапряженных конструкциях, в частности в деталях технологического и энергетического оборудования (изложницы, штампы, валки прокатных станов, лопатки газовых турбин, камеры сгорания и др.). На условия термоусталостного разрушения оказывает влияние большой комплекс физических и механических свойств материала, включая теплопроводность, тепловое расширение, сопротивление деформированию и разрушению.

Объективные данные и характеристики неизотермической малоцикловой усталости могут быть получены] при испытании образцов в установках с независимым от изменения температуры нагружением. Создание и эксплуатация таких установок сопряжены с определенными техническими трудностями, в частности с необходимостью синхронизации циклических процессов нагружения и изменения температуры. В связи с этим в практике получили распространение специализированные установки для термоусталостных испытаний, построенные по известной схеме Коффина [17, 28]. Их преимущество состоит в простоте устройства, автоматической синхронизации силового и теплового воздействия. Однако связанное термомеханическое нагружение, к тому же при практически неизбежной неравномерности нагрева образца по длине, приводит к некоторым проблемам. В установках коффиновского типа не удается одновременно поддерживать постоянство размаха температуры и амплитуды силовой деформации (жесткий цикл); возможности осуществления различных программ нагружения ограниченны. Из-за неоднородности распределения температуры (а значит, и деформации) по длине образца объективная интерпретация полученных данных требует специального анализа кинетики деформирования образца, рассматриваемого как конструкция [20].

Среди секторов, способствующих началу разрушения, в частности при циклическом нагружении (механическом, тепловом), отметим концентрацию напряжений —э ффект, довольно характерный для элементов конструкций. Обычно она связана с резким изменением геометрии детали — ее размеров и формы: здесь возникает локальная неоднородность поля напряжений и деформаций, характеризуемая их большими градиентами. Данный эффект возможен также в связи с дефектами структуры материала, повреждениями поверхностного слоя, неоднородностью механических свойств (например вследствие сварки). Концентратором становится и трещина, появившаяся в начале разрушения.

А2.2. АУСТЕНИТНЫЕ СПЛАВЫ НА ЖЕЛЕЗНОЙ И НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ

Аустенитные стали, применяемые в качестве жаропрочных материалов, являются Fe—Cr—Ni или Fe—Сг— Ni—Мn сплавами, легированными добавками других элементов. Существует ряд классификаций аустенитных сталей, среди которых, по-видимому, наиболее удобно их разделение на следующие три группы.

Группа I — объединяет неупрочненные стали как нестабилизированные, так и стабилизированные титаном или ниобием а также стали с упрочненным твердым раствором, например ста ли 12Х18Н9, Х16Н9М2, 20Х23Н18, 08X18H10T, 12Х18Н105 Х16Н11МЗ, 09Х14Н19В2БР1, 03Х2Ш32МЗБ, 1Х16Н13М2Б 0Х16Н15МЗБ, 0Х15Н28В2М4Б и др. Все они имеют низкий пре дел текучести. Хромоникелевые стали с 15—22 мас. % Сr, 8— 32 мас. % Ni и разным содержанием углерода (стабилизировавные и нестабилизированные) являются основными материалам для корпусных деталей регенераторов и теплообменников ГТЭ деталей атомных реакторов, а также широко применяются в химическом машиностроении. Эти стали обладают высокой жаростойкостью при температурах до 600—700 °С в среде продуктов сгорания дизельного топлива, пара, воды и на воздухе, во все случаях при отсутствии хлоридов.

Высокая технологичность хромоникелевых сталей позволяет получать из них практически любые виды заготовок (трубы листы различной толщины). Основными недостатками перечне ленных сталей являются склонность к межкристаллитной коррозии (МКК) и коррозионному растрескиванию (КР), низки теплопроводность и высокий температурный коэффициент линейного расширения (см. табл. А2. 3). Явление МКК, наблюдаемое в сталях, содержащих С > 0,005 мас. %, вызвано понижением содержания хрома (Сr < 12 мас. %) в локальных зонах вблизи карбидов, выделяющихся при эксплуатации преимущественно по границам зерен. Предупреждение МКК обеспечивается при мнением сенсибилизирующих добавок титана и ниобия и термической обработкой при 850—950 °С (после сварки). У сталей данной группы проявляется резкая зависимость длительных прочности и пластичности от размеров зерна и изменений структуры в процессе длительных выдержек при повышенных температурах, что необходимо учитывать, особенно при их использовании в тонкостенных конструкциях. В наклепанном состоянии стали этой группы имеют а- 1400 МПа, что позволяет использовать их для изготовления коррозионно-стойких пружин.

Группа II объединяет стали, дисперсионно упрочненные преимущественно интерметаллидными соединениями Ni3Ti и NiTiAl. Выделение этих фаз из твердого раствора повышает сопротивление сплавов пластической деформации в связи с увеличением сопротивления внутризеренной сдвиговой деформации (вследствие блокирования плоскостей скольжения) при одновременном увеличении сопротивления межзеренному скольжению. Представительными марками сталей этой группы являются 10Х11Н20ТЗР, Х12Н22ТЗМР, 08Х15Н24В4Т, ХН35ВТ (ЭИ612), ЭИ612К, ХН35ВТЮР (ЭИ787). В указанных сталях, помимо Сг, Ni, Ti, содержатся также элементы, упрочняющие твердый раствор и входящие в интерметаллидные соединения. Стали типа ХН35ВТ применяются при изготовлении деталей газовых турбин разного назначения, в том числе и весьма крупногабаритных, а также деталей ядерной энергетики.

Группа III включает стали с карбидным дисперсионным упрочнением, среди них наибольшее применение получили стали марок 37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481), 31Х19Н9МВБТ (ЭИ572). Сталь 31Х19Н9МВБТ широко используют в деформированном и литом состояниях для изготовления лопаток турбин, малонагруженных дисков авиационных двигателей, крыльчаток ГТУ для турбонаддува дизелей (иногда в состоянии полугорячего наклепа). Сталь 37Х12Н8Г8МФБ применяют для дисков авиационных и судовых ГТУ, а также деталей статора насосов, так как она обладает повышенными эрозионной стойкостью и сопротивлением к задираемости. Однако она имеет ярко выраженную склонность к КР.