Длительному статическому

Наряду с этим преимущественное значение для оценки эксплуатационной надежности имеет анализ вероятности разрушения, обусловленной временными процессами, связанными с изменением состояния детали и ее материала. Такие изменения порождаются старением, усталостью, коррозией, возникновением трещин и другими процессами. Следует, иметь в виду, что надежность в условиях службы тесно связана с интенсивностью явлений, снижающих сопротивление разрушению и в свою очередь зависящих от конструктивных и технологических факторов. Изменение их влияния на сопротивление длительному разрушению соответственно сказывается на ресурсе безотказной работы деталей.

Проблема длительной прочности элементов машин, приборов и аппаратов является традиционной, но за последние годы она расширилась и приобрела особое значение в связи с новыми задачами, которые ставят такие быстро развивающиеся отрасли техники, как энергетическое и химическое машиностроение, авиакосмическая техника и др. Долговечность конструкций приходится оценивать во многих случаях в условиях нестационарных силовых и температурных режимов нагружения, при этом могут протекать различные процессы длительного разрушения. К таким обычно относят статическую усталость, возникающую в результате выдержки конструкционных элементов во времени под действием усилий, мало- и многоцикловую усталость, связанную с циклическими сменами усилий безотносительно ко времени выдержки, а также процессы поверхностных разрушений при действии напряжений и агрессивных сред. При этом возможены еще и другие, комбинированные процессы. Длительному разрушению подвержены не только традиционые металлические, но и различные новые неметаллические материалы — полимеры, керамики, стекла и различные композиты, причем многие неметаллические материалы обнаруживают как циклическую, так и указанную статическую усталость практически в любых температурных условиях, ввиду чего проектирование изделий из этих материалов неизбежно наталкивается на необходимость их расчетов на длительную прочность.

опыта на быстрое растяжение. Если локализация мгновенно-пластической деформации возможна лишь после прохождения через максимум осевой растягивающей силы, то процесс равномерного вязкопластического течения с самого начала потенциально неустойчив. Это значит, что без изменения сопротивления деформированию данный процесс может переходить в такой, при котором скорости деформации распределяются по длине рабочей части образца неравномерно. При этом на участке больших скоростей (и соответственно больших истинных напряжений) площади поперечных сечений должны быть меньше, чем на участке малых скоростей, так как интегральная растягивающая сила должна оставаться одинаковой по всей длине образца. Переход от равномерного к неравномерному вязкопластическому деформированию, т. е. к шейкообразованию, может теоретически начинаться на любой стадии ползучести, хотя, как уже указывалось, локализация деформации протекает вначале очень медленно, и для развития заметной шейки требуется время тем большее, чем меньше скорость исходной равномерной деформации. Разрыхление материала перед разрушением повышает скорость ползучести и тем самым ускоряет шейкообразование, особенно при заданном условном напряжении, когда истинные напряжения в шейке растут по мере ее развития. Вместе с тем, полное разрушение образца наступает во многих случаях при таких малых деформациях, при которых сколько-нибудь заметная шейка еще не успевает развиться. Предельное деформированное состояние образца вообще не является тем основным фактором, который определял бы его сопротивление длительному разрушению. Таким фактором является скорее время пребывания материала под напряжением определенного уровня, что характерно для термофлуктуационных и диффузионных процессов, которые протекают вне прямой зависимости от степени развития вязкопластических деформаций.

Если в процессе высокотемпературной ползучести, протекающей при определенном растягивающем напряжении д, меньшем предела текучести при растяжении, осуществляется кратковременная перегрузка сжимающей силой так, чтобы напряжение сжатия превысило соответствующий предел текучести при сжатии, а дальше напряжение возвращается к прежней величине а, то возникшая в момент перегрузки мгновенно-пластическая деформация сжатия влияет на дальнейшее развитие деформаций ползучести. На протяжении некоторого отрезка времени после возвращения напряжения к прежней величине ст скорость вязко-пластического деформирования оказывается выше соответствующей скорости до перегрузки, которая создает таким образом раз-упрочняющий эффект (рис. 1.21). Вместе с тем, аналогичная перегрузка растягивающей силой вызывает эффект незначительного временного упрочнения. На этом примере видно, что механизмы мгновенно-пластического и вязкопластического деформирования могут определенным образом взаимодействовать друг с другом. Мгновенно-пластические деформации должны отражаться также и на сопротивлении длительному разрушению при ползучести, хотя экспериментально этот вопрос пока еще почти не изучен.

Длительная прочность полимерных материалов снижается в условиях циклического нагружения по сравнению с выдержкой при постоянном напряжении, если последнее равно по величине максимальному за период цикла переменному напряжению. Данное явление может быть связано с различными причинами. Прежде всего полимеры обнаруживают при циклическом нагружении тенденцию к саморазогреву, причем большую роль здесь играют частота нагружения и условия теплоотвода. Тепло генерируется за счет необратимой работы как вязкоупругого, так и вязкопластиче-ского деформирования. Повышение температуры матер и ала в процессе деформирования снижает его сопротивление длительному разрушению, как это вытекает, например, из представлений термофлук-туационной теории. Вместе с тем, при достаточно сильном саморазогреве (в условиях затрудненного теплоотвода) материал может перейти в некоторый момент из стеклообразного в вязкотекучее состояние, причем сопротивление деформированию практически утрачивается даже при отсутствии макроскопического разрушения.

По механике композитных материалов на полимерной основе имеется обширная литература [43, 44, 851, однако экспериментальных данных по длительному разрушению различных композиций, особенно по усталости, являющейся во многих случаях их слабым местом, очень мало (они имеются в основном для стеклопластиков).

Пределы прочности керамических материалов при быстром на-гружении зависят от его скорости (61 ] (рис. 1.24), а сопротивление длительному разрушению при достаточно высоких уровнях напряжений в среднем меньше сопротивления быстрому нагру-жению. При этом процесс повреждений, накапливающихся преимущественно в упомянутых локальных зонах концентрации напряжений, протекает в отсутствие ползучести, т. е. упругие деформации материала, отвечающие напряжению выдержки, остаются постоянными до момента полного разрушения образца. Возможно, что в указанном процессе доминирует термофлуктуаци-онный механизм локальных разрушений.

при частотах нагружения порядка 10 Гц возможен некоторый саморазогрев, приводящий к резкому снижению сопротивления длительному разрушению.

разъедания, а затем в этих местах появляются коррозионно-усталостные раковины размерами порядка 0,1 мм [64]. Из этих раковин, представляющих собой мелкие концентраторы напряжений, в дальнейшем развиваются плоские поверхностные трещины, которые могут быть ориентированы сразу перпендикулярно направлению главных растягивающих напряжений или совпадать сначала с плоскостями действия максимальных касательных напряжений, но на определенной стадии роста все же принимать ориентацию перпендикулярно растягивающим напряжениям. Последний из двух указанных случаев наблюдается при испытаниях цилиндрических образцов на циклическое кручение. При этом наблюдается характерная картина растрескивания, когда поверхностные трещины имеют прямолинейный участок длиной до 0,1 мм, ориентированный по касательной к окружности поперечного сечения образца, и четыре «отростка» из концов этого прямолинейного участка, расположенных под углом 45° к образующей цилиндрической поверхности [64]. В плоскостях трещин, расположенных перпендикулярно свободной поверхности металла, их фронт имеет овальную форму, близкую к эллипсу. По мере роста трещин из их общей массы выделяются с числом циклов нагружения такие, которые опережают по длине, а следовательно и по скорости роста остальные. Этот процесс дифференциации трещин постоянно убыстряется, так что в конце концов выделяется одна, редко две-три магистральных трещины, размеры которых намного превышают все остальные, причем повреждения приобретают локальный характер и при достижении магистральной трещиной критического размера происходит полное разрушение. Если температура воды достигает несколько сот градусов на поверхности образцов или деталей из углеродистых сталей, то может появляться защитная пленка, которая изолирует металл от агрессивной среды и таким образом задерживает процесс повреждений. Долговечность определяется в таких случаях сопротивлением длительному разрушению этой пленки, которая сама подвержена усталости при больших числах циклов нагружения.

Жаропрочность — способность материала выдерживать механические нагрузки без существенной деформации и разрушения при повышенных температурах. Жаропрочность определяется комплексом свойств, включающих сопротивление ползучести и длительному разрушению и жаростойкость. Жаропрочность характеризуют пределом длительной прочности, пределом ползучести и временем до разрушения при заданных напряжении, температуре и рабочей атмосфере. Жаропрочность отражает свойство стали сохранять прочность, пластичность и стабильность структуры при высоких температурах в условиях ползучести металла в течение расчетного срока службы в сочетании с высокой коррозионной стойкостью (при температурах эксплуатации не выше 585 °С и умеренном коррозионном воздействии среды)„

В нормах не регламентируется соблюдение запаса к условному пределу ползучести (деформация 1% за время 100 000 ч), так как при соблюдении необходимого запаса по длительному разрушению нет оснований рассматривать деформацию ползучести в 1% как предельно допустимую для котельных деталей. Сопротивляемость ползучести стали должна приниматься во внимание при выборе допускаемых напряжений, но без введения одинакового для сталей всех марок значения предельной деформации. Характеристики .ползучести стали должны также учитываться при составлении норм контроля надежности котельных элементов в эксплуатации по измерению накопленной деформации.

ЭИ437БУВД. После проведения стандартной термообработки образцы были подвергнуты длительному статическому нагружению при температуре 650 °С и напряжении 500 МПа в течение 476 ч до разрушения и совместному растяжению при 400 МПа и кручению при 300 МПа в течение 77 ч до разрушения. Вязкое разрушение плосконапряженного материала с интенсивным пластическим течением в разрушаемых микрообъемах было сосредоточено в узких призернограничных зонах сплава. В изломе были видны характерные элементы вырожденного ямочного рельефа (рис. 2.5а), или ступеньки приграничного внутризеренного пластического сдвига (рис. 2.56), что свидетельствовало о развитии процесса разрушения во времени. Выявленные элементы рельефа излома были подобны для обоих видов нагружения. Полученное различие в длительности цроцесса накопления повреждений не повлияло на формирование рельефа излома. Оба вида рельефа характерны для обоих видов нагружения, и поэтому при качественном анализе они не могут быть использованы для установления различий в условиях внешнего воздействия, которое существенно влияет на длительность всего процесса накопления повреждений в материале.

Обычно повторное нагружение с малой частотой приложения нагрузок сопутствует какому-либо другому виду нагружения — многоцикловой усталости, длительному статическому нагруже-нию и поэтому не всегда учитывается. Однако в настоящее время стало ясно, что повторно-статическое нагружение, или так называемая малоцикловая усталость, оказывает существенное влияние на несущую способность материалов в конструкциях. Разрушения от повторно-статического нагружения встречаются в силовых элементах самолетов, кораблей, деталях систем управления, периодически запускаемых двигателях, сосудах давления и т. д.

Это уравнение учитывает взаимное влияние двух видов повреждения—статического и циклического. Так, обычно материал, подверженный длительному статическому нагружению, оказывается менее прочным при усталостном нагружении, чем исходный, и наоборот. Однако это справедливо не во всех случаях; если процесс длительного статического натружения производится при таких режимах, которые способствуют повыше-

3. Серенсен С. В., Коалов Л. А. Линейная интерпретация накопления повреждений и характеристики сопротивления усталостному и длительному статическому разрушению.— Завод, лаб., 1958, № 11, с. 1378—1382.

При более высоких температурах второй член этого выражения, отражающий сопротивление разрушению в области больших чисел циклов, преобразуется в характеристики сопротивления длительному статическому разрушению [5J. В этом случае проявляется влияние частоты и выражения (3) и (4) преобразуются к следующему виду:

Второй член, таким образом, характеризует сопротивление длительному статическому разрушению и сопоставляется с уравнением соответствующей кривой, которой для удобства придается форма a = 1,75 оь(хтрМ)~т, и тогда в деформациях второй член принимает форму

Роль взаимодействия усталостного и длительного статического повреждения при малоцикловом нагружении с выдержками существенно зависит от температуры. С ее ' повышением быстрее убывает сопротивление длительному статическому разрушению,чем

усталостному. В соответствии с этим, при таком нагружении с ро стом температуры происходит переход от преобладающей роли усталостного повреждения к длительному статическому, и только в некотором интервале температур их роль сопоставима. В качестве примера на рис. 7 приведена температурная зависимость разрушающего числа циклов при малоцикловом нагружении с частотой 18 циклов/мин для кобальтового сплава [8], чувствительного к тем-пературно-временным влияниям. На графике нанесены кривые, определяющие разрушение усталостное по уравнению типа (4) и разрушение длительное статическое по уравнению типа (6) с пересчетом на число циклов согласно зависимости Nv = TPV. При температурах до 600° С определяющим оказывается усталостное разрушение (участок /), для температур выше 650° С — длительное статическое (участок ///), т. е. область взаимодействия повреждений двух типов (участок //) ограничивается в данном случае 50°. Об ограниченности области такого взаимодействия свидетельствуют и другие данные.

длительному статическому нагру-жению и тем заметнее, чем выше температура и больше продолжительность испытаний. Так, при наклепе растяжением до 2% остаточной деформации предел длительной прочности уменьшится до 0,75 0100 при 700° С и до 0,6 0100 при 800° С; наклеп до 10% остаточной деформации привел к понижению предела длительной прочности до 0,55 0100при 700°С и до 0,4 0100 при 800° С.

Снижение сопротивления длительному статическому разрушению сплавов ЭИ437А и ЭИ437, подвергнутых предварительной пластической деформации, прежде всего связано с увеличением скорости протекания диффузионных процессов в наклепанном металле в условиях высоких температур и действия статической нагрузки, которые приводят к понижению сопротивления отрыву, заметно проявляющемуся вблизи границ зерен и двойников [35, 36]. В этих местах при длительной работе и зарождается очаг последующего разрушения металла.

Результаты этих исследований показали, что при рабочих температурах равномерный наклеп оказывает одинаковое влияние как на сопротивление циклическому, так и длительному статическому нагружению. Это положение также подтверждается