Длительной наработки

В монографии систематически изложены вопросы сопротивления деформированию и разрушению при малоцикловом высокотемпературном нагружении. Разработаны способы интерпретации связи циклических напряжений и деформаций на основе изоциклических и изохронных диаграмм циклической ползучести и свойств подобия. Для определения предельных состояний по моменту образования разрушения используется деформационно-кинетический критерий длительной малоцикловой прочности. Закономерности деформирования и разрушения использованы для разработки основ методов оценки малоцикловой прочности элементов конструкций при нормальной и высоких температурах.

Деформационно-кинетические критерии длительной малоцикловой прочности

Проблема длительной малоцикловой прочности элементов; конструкций связана с исследованием закономерностей деформирования и условий разрушения материалов для случая циклического нагружения при высоких температурах. Исследования критериев малоциклового разрушения при высоких температурах ведутся в последнее десятилетие весьма интенсивно, однако достаточно однозначных результатов не получено, о чем также свидетельствует большое количество различных предложений, в ряде случаев противоречивых. Соответствующие обзоры по данному вопросу содержатся в работах [156, 178, 183, 184, 239, 243, 253, 256, 283, 291-293].

Усталостные повреждения характеризуются при этом уравнением типа (1.1.11) с отражением частотно-временных эффектов. В случае, когда кривая длительной малоцикловой усталости описывается на основе зависимости Мэнсона — Коффина [254, 255, 281, 282]

активного нагружения и деформацию ползучести при выдержке. Этим компонентам может быть приписана ответственность за накопление материалом тех или иных повреждений. Так может быть сделано предположение, что доля усталостного повреждения зависит только от величины пластической деформации при активном нагружении, а доля длительного статического повреждения — от суммарной необратимой деформации. При этом для всех случаев испытаний, кроме испытаний по схеме рис. 1.2.1, г, получено (точки 1) несколько меньшее поле рассеяния величин накопленного повреждения (рис. 1.2.2, б). Однако образцы, испытанные по режиму, приведенному на рис. 1.2.1, г, дают малые значения накопленного повреждения (точки 3), что исключает использование такого подхода при оценке длительной малоцикловой прочности.

нагружение с выдержками либо при растяжении — сжатии (рис 1.2.4, а), либо только при сжатии (рис. 1.2.4, б) в условиях промежуточного между ползучестью и релаксацией нагружения. Длительность цикла активного нагружения 1 мин, выдержек 3 мин. Как показывают экспериментальные данные (см. рис. 1.2.4), при наличии в цикле выдержек наблюдается весьма существенное изменение напряжений и деформаций, ^причем накопленная деформация может превышать заданный размах в 2—3 раза и более. Расчет длительной: малоцикловой прочности в соответствии с кинетическими деформационными критериями в форме уравнений (1.2.8), (1.2.9) дает для рассматриваемого случая нагружения хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных (таблица 1.2.1). На рис. 1.2.2, б показаны величины накопленного повреждения для режимов нагружения с выдержками при растяжении и сжатии, а также только при сжатии (точки 4). Характерно, что новые данные укладываются в поле рассеяния точек, соответствующих испытаниям, проведенным в условиях мягкого и жесткого нагружений без выдержек и с выдержками при постоянном напряжении (точки 2). Для расчета величины повреждения использована зависимость располагаемой пластичности от времени, где &j (t) — пластическая деформация при статическом разры-

В последнее время в работах ряда авторов по длительной малоцикловой прочности получены результаты, также подтверждающие справедливость уравнений (1.2.8), (1.2.9).

Большая экспериментальная программа исследований длительной малоцикловой прочности материала Х18Н9Т в интервале температур выполнена в Каунасском политехническом институте [21 — 24, 214]. Испытания проведены при температурах 500, 600, 650-и 700° С, время выдержек 0,5; 5 и 50 мин, суммарные базы испытаний достигали 500—700 ч.

Рассмотренные экспериментальные результаты по длительной малоцикловой прочности получены на материалах, у которых

Рассмотрим на основе полученных в настоящей работе экспе-р иментальных данных некоторые известные из литературы подходы к оценке длительной малоцикловой прочности.

Таким образом, рассматриваемая концепция деформацирнно-кинетических подходов оценки длительной малоцикловой прочности находит, как это следует из приведенных выше данных, экспериментальное подтверждение для весьма различных режимов нагружения, уровней температур и сталей, обладающих контрастными свойствами при высоких температурах (деформационно стареющих и нестареющих; циклически разупрочняющихся, а также упрочняющихся и стабилизирующихся).

Процесс циклического нагружения элемента конструкции в условиях эксплуатации сопровождается постепенным накоплением повреждений в материале до некоторого критического уровня, который может быть охарактеризован с привлечением различных методов и средств исследования. Выбор средств определяется применяемыми критериями в оценке самого предельного состояния и его фактической реализацией к рассматриваемому моменту времени, как это было рассмотрено в предыдущей главе. Даже при отсутствии в детали трещины можно с большой достоверностью утверждать, что после длительной наработки в эксплуатации последующее после проверки нагружение может вызвать быстрое зарождение и далее распространение усталостной трещины. Оценка состояния материала с накопленными в нем повреждениями и прогнозирование последующей длительности эксплуатации до появления трещины, установление периодичности контроля за состоянием детали подразумевают использование структурного анализа на базе физики металлов. Это подразумевает обязательное применение методов механики разрушения для оценки длительности роста трещины и обоснования периодичности осмотров на всех стадиях зарождения и распространения трещин. Однако многопараметрический характер внешнего воздействия на любой элемент конструкции делает неизбежным введение в рассмотрение процесса накопления повреждений в конструкционных материалах с позиций синергетики, следовательно, возникает новое представление о процессе распространения трещин. Всю совокупность затрат энергии внешнего воздействия, вызвавших разрушение элемента конструкции, интегрально характеризуют: достигнутое на определенной длине трещины предельное состояние, единичная реализация процесса прироста трещины и сформированная в результате этого поверхность разрушения.

Рис. 56. Микроструктура материала лопаток (сплав ЖС6К) после длительной наработки:

нем действующих напряжений, температуры и временем. На рис. 56 показана микроструктура материала (в различных зонах) рабочей лопатки авиадвигателя после длительной наработки. Механические свойства материала изделий из разных зон, подвергавшихся неодинаковому нагреву, также существенно различаются (табл.7).

Так как в результате длительной наработки, как правило, повышается чувствительность материала к концентрации напряжений, эксплуатационные разрушения часто начинаются от раз-

Результаты испытаний отдельно для каждой группы элементов фиксировались в виде реализаций — последовательности испытаний (на рис. 3.9 в качестве примера представлены реализации для элементов основного металла в исходном состоянии и после длительной наработки). Для каждой реализации подсчитывались количество разрушенных элементов на каждой ступени нагружения п,- и общее количество разрушенных элементов в каждой серии ^ ni (где i — порядковый номер ступени, считая i = 0 для наименьшего значения напряжений, при котором проводились испытания в данной реализации).

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ 20° С ДЕТАЛЕЙ КОМПРЕССОРА ИЗ СПЛАВА ВТЗ-1 И ВТ8 ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ НАРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ 400 И 150" С ДЕТАЛЕН КОМПРЕССОРА ИЗ СПЛАВА ВТЗ-1 ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ НАРАБОТКИ ИЗДЕЛИИ

Нестабильностью структуры, характерной для этой стали при температуре эксплуатации выше 440 °С [20] и в отдельных случаях при более умеренных температурах в процессе длительной наработки паропроводов [21], является графитизация. Эта форма нестабильности структуры представляет собой распад цементита Fe3C на железо и структурно свободный графит (углерод).

• фактическая долговечность сварных соединений должна быть не ниже нормативной допускаемой длительной прочности в течение длительной наработки при сохранении запаса прочности п > 1,5 [13];

диаграммам (см. рис. 1.5) с учетом структурного состояния стали, выявленного по результатам микроисследования основного металла образцов вырезанных представительных сварных соединений; для варианта длительной наработки т„ > 200 тыс. ч может быть использован консервативный подход для сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф в выборе минимальной длительной прочности из семейства диаграмм долговечностей (рис. 1.5).

По данным [44] в ЗТВрп сварных тройниковых соединений локальная деформация может достигать 6 ... 8 % при общей деформации ползучести 1 %, накопленной в паропроводных трубах за расчетный период эксплуатации. Этот фактор является определяющим в локальной эксплуатационной повреждаемости ЗТВрп (в меньшей степени металла шва) сварных соединений в процессе длительной наработки паропроводов в условиях ползучести.

Диск, разрушенный по меридиональному сечению, показан на рис. 4.12. Диск турбины, разрушенный после длительной наработки, приведен на рис. 4.13. Разрушение произошло по «шейке» — подободному сечению, что связано с перегревом подободной части диска.