Термическая усталость металлов
Дульнев Р.А., Котов П.И.
Машиностроение, 1980 г.
ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛА И ХАРАКТЕР ПОВРЕЖДЕНИИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
Для описания условий возникновения предельного состояния материала детали при воздействии термоциклических нагрузок используют представления о повреждаемости материала [4, 25, 40, 71]. Повреждаемость материала есть приводящий к разрушению процесс необратимых изменений, протекающих в материале под действием напряжений в условиях высоких температур.
Конкретным проявлением этого процесса являются, с одной стороны, необратимые изменения структуры материала (сдвиговые процессы внутри зерна, образование двойников, дробление зерен, процессы разрыхления и образование пустот, изменение упрочняющих фаз, деформация по границам зерен и образование субмикроскопических разрывов и пр.) и, с другой, — повреждение поверхности и поверхностного слоя детали в связи с действием ряда эксплуатационных факторов.
Установлено, что повреждаемость материала вызывает снижение характеристик кратковременной и длительной прочности, ползучести и многоцикловой усталости, а также изменение многих физических характеристик, которые в ряде случаев становятся мерой количественной оценки степени повреждаемости материала [49]. Структурные изменения, протекающие непрерывно в процессе нагружения, формируют повреждения, которые вызывают видимые нарушения сплошности материала (макротрещины и др.), характеризуемые как повреждения конструктивного элемента, вид которых определяется характером действующей нагрузки (усталостной, статической, длительной статической).
Важнейшими факторами в формировании предельных повреждений при термоциклическом нагружении являются размах Αε упругопластической деформации в цикле, максимальная температура tmaxи длительность термического цикла, В зависимости от величин указанных факторов, учитывая циклический характер действия температур и напряжений, в характере термоусталостного разрушения можно обнаружить признаки; как усталостного, так и статического разрушения [25, 26, 64].
Многочисленные случаи возникновения термоусталостных трещин можно встретить в элементах стационарных и нестационарных атомных установок [21], котельных агрегатов и паропроводов [83], деталях технологического оборудования , элементах горячего тракта авиационных [13, 49, 71], судовых и стационарных [31, 74] газовых турбин. Известны [13, 71], например, случаи малоциклового разрушения дисков газовых турбин в связи со значительными градиентами температур между ободом и центром диска (500—600° С) и цикличностью процесса упру-гопластического деформирования в зонах концентрации. Вследствие повреждений от термической усталости доля отказов рабочих и сопловых лопаток в общем объеме деталей газовой турбины, как показывает статистическая информация, составляет 70% [49]. Следует в связи с этим подчеркнуть, что и при разработке программ ускоренных испытаний авиадвигателей [42, 53] фактор термоусталостного повреждения лопаток принимают
одним из основных.
Объем термоусталостных повреждений в элементах паросиловых установок возрастает в связи с длительной эксплуатацией, увеличением их [Мощности и переходом тепловых и энергетических объектов на сверхкритические параметры пара. Анализ разрушений гибов трубных систем котельных агрегатов и пароперегревателей, паропроводов, барабанов паровых котлов, короблений корпусов цилиндров паровых турбин и других деталей [1, 78] показывает, что одной из главных причин повреждений являются циклические термические напряжения, обусловленные неравномерностью температур при нестационарных режимах работы. Существенным фактором в формировании повреждений от действия циклических термических напряжений в деталях паросиловых и атомных установок следует считать коррозионное воздействие теплоносителя [2, 78].
Повреждения от термической усталости, проявляющиеся преимущественно в виде формоизменения или коробления с сеткой трещин в элементах технологического оборудования, свойственны некоторым технологическим операциям: прокатка (валки горячей прокатки, детали тракта горячего дутья, оправка для прошивки трубной заготовки и др.), литье (кристаллизаторы, чаши шлаковозов, металлические литейные формы), что существенно снижает качество продукции и препятствует интенсификации технологического процесса [15, 70, 80].