Деформационной способностью

В условие пластичности вводится тензор остаточных микро-яапряжений pjs, отражающий эффект ориентированных микронеод-лородностей в образовании деформационной анизотропии металла, наблюдаемой экспериментально прежде всего в эффекте Баушин-гера. Это условие в девиаторах напряжений как уравнение поверхности текучести представляется в виде

Образование петель пластического гистерезиса возможно только при наличии так называемой «деформационной анизотропии» материала, частным проявлением которой при линейном напряженном состоянии является эффект Баушингера: пределы пропорциональности или текучести периодически изменяются с изменением направления пластического деформирования, т. е. с переходом от пластического растяжения к сжатию и наоборот. Так на диаграмме рис. 1.7 ордината точки D, отвечающей пределу пропорциональности при сжатии, следующем за растяжением, меньше ординаты точки Л, соответствующей началу разгрузки. Ордината точки G, отвечающей пределу пропорциональности при дальнейшем растяжении, не совпадает с ординатой точки Е. Существенно, что в гипотетическом случае изотропного упрочнения, при котором ординаты точек Л и D должны совпадать, материал приспособился бы к любому стационарному режиму нагружения с заданным

Процесс циклического деформирования реальных металлов и сплавов осложняется тем, что обычно степень и характер деформационной анизотропии на протяжении определенного числа циклов постепенно изменяется. Некоторые конструкционные металлы, называемые циклически разупрочняющимися, склонны при мягком нагружении к постепенному расширению петель пластического гистерезиса, в то время как материалы, называемые циклически упрочняющимися, склонны к постепенному сужению ширины петель. В предельном случае изотропного упрочнения, когда эффект Баушингера отсутствует, ширина петли стремится к нулю. Существуют и циклически стабильные материалы, для которых характерна постоянная или быстро устанавливающаяся ширина петли пластического гистерезиса. При стационарном жестком нагружении циклически упрочняющихся материалов размах' напряжения возрастает, а в случае циклически разупрочняющихся — убывает.

Задача построения феноменологических закономерностей пластического деформирования при непропорциональном нагружении, несмотря на огромное количество известных исследований, до сих пор не нашла исчерпывающего решения. Трудность состоит в адекватном описании явления деформационной анизотропии: после прохождения некоторого пути нагружения и соответствующего ему пластического деформирования дальнейшее пластическое деформирование (при различно ориентированных приращениях вектора Rs) встречает неодинаковое сопротивление материала по разным направлениям, зависящее от истории предшествующего нагружения.

Расчет путей пластического деформирования при циклическом сложном напряженном состоянии наталкивается в общем случае на трудности, связанные с учетом как деформационной анизотропии, так и циклической

Отметим, что приближенная картина пластического деформирования при сложном напряженном состоянии циклически стабильного материала может быть получена с учетом деформационной анизотропии путем обобщения структурной модели (рис. 1.8). Обозначим компоненты девиатора напряжений в звене / через Si}\ в звеньях 2 и 3 — через s}f и s}/1, а компоненты полного девиатора напряжений — через s,-/ s'}'. Аналогичным образом введем компоненты девиатора деформаций: е\у , е\]] ', e\f и ец. Интенсивность напряжений в элементе трения, входящем в звено 2, составляет в процессе деформации а'2> = Cz, a при разгрузке эта интенсивность может принимать любые значения 0J2)
Как уже указывалось выше, основной областью применения деформационных уравнений повреждений является малоцикловая усталость [18, 39], причем расчет ширины петель пластического гистерезиса должен проводиться в этих условиях с учетом деформационной анизотропии. Кроме того, должна приниматься во внимание возможная циклическая нестабильность и ползучесть материала. Соответствующие расчеты не могут производиться на основе соотношения (3.31) теории течения, которая не учитывает

деформационной анизотропии, однако приближенные значения ширины петель пластического гистерезиса могут быть получены при использовании соотношения (2.36), а в условиях пропорционального нагружения — соотношения (2.35). Заметим, что в общем случае непропорционального нагружения ширина петель определяется по криволинейному пути пластического деформирования.

Расчет малоцикловых усталостных повреждений может проводиться по тому же плану, как и описанный в предыдущих пунктах расчет на многоцикловую усталость, с той разницей, что уравнение механических состояний элемента материала должно описывать не процесс микропластических деформаций, связанный с упругими несовершенствами материала, а контролируемый процесс макропластического деформирования. Параметры уравнения механических состояний должны отвечать соответствующим экспериментальным кривым 5ц (etj) при учете деформационной анизотропии материала, циклической нестабильности и ползучести.

Экспериментальные исследования показали, что выделение скрытой потенциальной энергии, накопленной элементом тела при пластическом деформировании в «холодном» состоянии, заканчивается в зоне температур начала рекристаллизации. При этих же температурах становятся несущественными эффекты деформационной анизотропии, в частности эффект Баушингера.

После идентификации оказывается возможным не только качественное, но и количественное сопоставление закономерностей деформационного поведения, предсказываемых моделью, с данными соответствующих экспериментов. Результатысопоставления, проведенного на ряде конструкционных (в большинстве своем — жаропрочных) сталей и сплавов при разнообразных программах на-гружения, включая неизотермическое, непропорциональное, при наличии в цикле выдержек при постоянном напряжении или постоянной деформации, приведены в данной главе. Они характеризуются в общем вполне удовлетворительным соответствием и фактически являются подтверждением определяющей роли микронапряжений в различных проявлениях деформационной анизотропии.

ванне трещин при сварке закаливающихся, а особенно среднеле-гированных высокопрочных сталей оказывает водород, при определенных условиях попадающий в сварочную ванну. Для того чтобы избежать трещин при охлаждении сварного соединения, необходимо использовать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение металла шва, обладающего большой деформационной способностью. Это может быть достигнуто, если наплавленный металл и металл шва будут в меньшей степени легированы, чем свариваемая сталь. При этом шов будет представлять собой как бы мягкую прослойку с временным сопротивлением меньшим, чем временное сопротивление свариваемой стали, но с повышенной деформационной способностью.

При сварке среднелегированных глубоконрокаливающихся высокопрочных сталей необходимо выбрать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение швов, обладающих высокой деформационной способностью при минимально возможном количестве водорода в сварочной ванне. Это может быть достигнуто применением низколегированных сварочных электродов, не содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых высокотемпературной прокалке (низководородистые электроды).

Повышение жесткости свариваемых изделий увеличивает вероятность образования трещин, причем тем в большей степени, чем меньшей деформационной способностью обладает закаленный металл (больше содержания в нем углерода). Так, сварка в углекислом газе без предварительного подогрева в изделиях небольшой жесткости не вызывает трещин при толщине сталей 08X13 до 18 мм, 12X13 до 10—12 мм и 20X13 до 8—10 мм.

В твердо-жидком состоянии образуется скелет из кристаллитов затвердевшего металла (твердой фазы), в промежутках которого находится жидкий металл, который в таком состоянии обладает очень низкой деформационной способностью и малой прочностью. Когда металл полностью закристаллизуется, его пластичность и прочность возрастают. Температурный интервал, в котором металл находится в твердо-жидком состоянии, характеризующийся очень низкой прочностью и пластичностью, называется температурным интервалом хрупкости. При охлаждении одновременно с процессами кристаллизации в этом температурном интервале в связи с усадкой шва и

В качестве твердых прослоек могут выступать сварной шов. зона термического влияния, промежуточная наплавка при сварке разнородных металлов и т. д. Ранее соединениям, имеющим в своем составе твердые прослойки с удовлетворительной деформационной способностью, уделялось мало внимания. Последнее связано с тем, что прочность рассматриваемых соединений лимитировалась механическими свойствами основного более мягкого металла М, а сама твердая прослойка в процессе нагружения либо работала упруго, либо незначительно вовлекалась в пластическую деформацию, Интерес к анализу предельного состояния соединений с твердыми прослойками возникает с появлением в них плоскостных дефектов, которые являются причиной разрушения конструкций по твердой прослойке.

Отличие подходов, на основе которых предложена формула (2.4) состоит в более четком обосновании и выборе момента, отвечающего достижению предельного состояния рассматриваемых оболочек. Специфика нагружения данных конструкций заключается в том, что момент достижения максимальной величины давления /)mar, действующего на оболочку, принимаемый за момент исчерпания ее несущей способности, не соответствует достижению предельных значений действующих в стенке оболочки главных напряжений <5\ и сь. В частности, было установлено, что предельное состояние тонкостенных оболочек отвечает стадии потери устойчивости их пластического течения, а момент исчерпания несущей способности определяется деформационной способностью металла и его склонностью к упрочнению в процессе нагружения за пределом текучести. Последнее учитывается введением в котельную формулу (2.3) коэффициента (3, характеризующего специфику деформирования конструкций на стадии потери пластической устойчивости и вытекающего непосредственно из анализа предельного состояния оболочковых конструкций (см. (2.4)). Аналогичные подходы были использова-

В качестве твердых прослоек могут выступать сварной шов, зона термического влияния, промежуточная наплавка при сварке разнородных металлов и т. д. Ранее соединениям, имеющим в своем составе твердые прослойки с удовлетворительной деформационной способностью, уделялось мало внимания. Последнее связано с тем, что прочность рассматриваемых соединений лимитировалась механическими свойствами основного более мягкого металла М, а сама твердая прослойка в процессе нагружения либо работала упруго, либо незначительно вовлекалась в пластическую деформацию. Интерес к анализу предельного состояния соединений с твердыми прослойками возникает с появлением в них плоскостных дефектов, которые являются причиной разрушения конструкций по твердой прослойке.

Отличие подходов, на основе которых предложена формула (2.4) состоит в более четком обосновании и выборе момента, отвечающего достижению предельного состояния рассматриваемых оболочек. Специфика нагружения данных конструкций заключается в том, что момент достижения максимальной величины давления Р^юх, действующего на оболочку, принимаемый за момент исчерпания ее несущей способности, не соответствует достижению предельных значений действующих в стенке оболочки главных напряжений <з\ и о^. В частности, было установлено, что предельное состояние тонкостенных оболочек отвечает стадии потери устойчивости их пластического течения, а момент исчерпания несущей способности определяется деформационной способностью металла и его склонностью к упрочнению в процессе нагружения за пределом текучести. Последнее учитывается введением в котельную формулу (2.3) коэффициента р, характеризующего специфику деформирования конструкций на стадии потери пластической устойчивости и вытекающего непосредственно из анализа предельного состояния оболочковых конструкций (см. (2.4)). Аналогичные подходы были использова-

лей накапливаются повреждения, вызванные как ползучестью, так и высокотемпературной малоцикловой усталостью. Наклепанный и стабилизированный карбидами аустенит в этих условиях обладает низкой деформационной способностью, что приводит к возникновению в структуре металла клиновидных трещин, их развитию и хрупкому межзеренному разрушению тем быстрее, чем выше температура эксплуатации.

Анализ остаточных деформаций отдельных зон после разрыва показал, что наибольшей деформационной способностью обладает основной металл с наплавкой (18—28 %), намного меньшей — СС на базе 50 мм (5,0—5,6 %), еще меньшей — металл шва на базе 20 мм (2,5-3,8 %).

Таким образом, испытания на статическое растяжение сварных соединений труб из стали 10ГН2МФА с антикоррозионной наплавкой показали, что наибольшей деформационной способностью обладает основной металл трубы с антикоррозионной наплавкой и намного меньшей — сварное соединение. При этом разрушение происходит как по основному металлу с наплавкой вне зоны сварного соединения, так и по сварному соединению.