Неоднородности напряженного

Рис 3.49. Корректировка относительных значений толщины прослойки к (а) и зависимость поправочных функций/пр и/э от степени неоднородности механических свойств прослойки К* (б):

Неоднородность химического состава и структуры по сечению приводит к неоднородности механических свойств отливки. Для уменьшения ликвации увеличивают скорость охлаждения отливки.

Рис. 3.49. Корректировка относительных значений толщины прослойки к (а) и зависимость поправочных функций/пр и/э от степени неоднородности механических свойств прослойки К" (б):

Эти факторы способствуют снижению долговечности конструкции, в связи с чем их необходимо учитывать при разработке технологических процессов, а также при оценке прочности. • В результате неоднородности механических свойств различных зон в сварном соединении возможно перераспределение деформаций при циклическом нагружении с локализацией их на узком участке, что неизбежно приведет к значительному снижению долговечности.

Влияние способа изготовления поковк на качество детали. Следующие услови: обеспечивают наилучшие механически' качества поковок: 1) необходимая дл; данной детали степень уковки (см стр. 90); 2) совпадение направле ния волокон с направлением наиболь ших нормальных напряжений, возни кающих при эксплуатации детали (npi невозможности выполнить это услови! необходимо принять меры по снижении неоднородности механических качест: вдоль и поперек волокон путем осадки раздачи на оправке или иным способом) 3) направление волокон в соответствии контуром детали: волокна не должн! перерезываться; 4) отсутствие смеще ния осевой зоны слитка на поверхност поковки; 5) соблюдение правильног термомеханического режима ковк (см. стр. 99).

Сварные конструкции (стержневые, листовые и оболочечные несущие элементы, подкрановые устройства, трубопроводы, емкости) требуют при оценках их сопротивления деформированию и разрушению учитывать влияние неоднородности механических свойств и дефектности, связанной с широким использованием сварки, развития методов испытаний и расчетов в связи с эффектом абсолютных размеров сечения конструкций и технологической концентрацией напряжений.

Рост рабочих параметров турбоагрегатов и, в первую очередь, их единичных мощностей связан с необходимостью увеличения абсолютных размеров сечений и длины несущих частей корпусов и роторов. Масса роторов турбин при различных вариантах их исполнения повышается от 30—50 до 80—150 т. При этом для цельнокованых роторов низкого давления используют уникальные слитки массой от 100 до 550 т. Такое увеличение размеров исходных заготовок и готовых роторов, вызванное рядом технологических факторов (видом заготовки — отливка или поковка, термообработкой и т. п.), может привести к повышению неоднородности механических свойств материала: уменьшению пластичности на 20—50 %, ударной вязкости на 40—60 %. Для зон роторов, находящихся под действием циклических нагрузок, существенное значение имеет эффект абсолютных размеров, состоящий в уменьшении на 40—60 % пределов выносливости (при базовом числе циклов 106—107) с переходом от стандартных лабораторных образцов к реальным роторам. Неблагоприятное влияние увеличения абсолютных размеров сечений подтверждается также результатами испытаний образцов на трещиностойкость. Различие в критических температурах хрупкости в центральной части поковок по сравнению с периферийной может достигать 40—60 °С; абсолютные значения критических температур для сталей в ряде случаев составляют 60—80 °С, а для высокотемпературных роторов из Cr-Mo-V сталей 120—140 °С. Это имеет существенное значение для роторов турбин при быстрых пусках, когда температура металла ротора может оказаться ниже критической.

Одним из важных факторов, определяющих прочность и ресурс роторов турбин, является их конструктивно-технологическое исполнение. В настоящее время в энергомашиностроении в качестве основных вариантов роторов (в зависимости от технологии изготовления) приняты роторы: цельнокованые с центральными отверстиями и без них, кованосварные, кованые, сборные с насадными дисками. Критериальные условия прочности и долговечности таких роторов зависят от средних механических свойств материалов и их неоднородности, вариации типов и размеров исходных дефектов, а также знаков и распределения остаточных

Термообработка проводилась для устранения неоднородности механических свойств в зоне сварного соединения.

Из рисунков 2 и 3 видно, что прокатка роликами в режиме СПД приводит к снижению неоднородности механических свойств различных зон сварных соединений из сталей 20 и ЗОХГСА относительно исходного состояния. При этом наилучшее сочетание прочностных свойств и характеристик пластичности достигается у образцов сварных соединений из сталей 20 и ЗОХГСА после прокатки роликами в режиме СПД с величиной деформации 20 %.

Соблюдение требований нормативно-технологических документов необходимо как средство поддержания дисциплины производства, ограничивающее допуск к эксплуатации изделий по уровню дефектности. Однако этот уровень дефектности условен. Если обнаруженный при приемочном контроле ^или в процессе эксплуатации дефект несколько выходит за пределы норм, то нередко возникает сомнение, насколько обоснована браковка изделия, когда исправление дефекта оказывается трудно осуществимо или невозможно. Решение о допуске к эксплуатации без исправления дефекта может быть принято, только если выполнен контрольный расчет, показывающий, что в процессе эксплуатации изделия зарождение трещины от дефекта и последующий рост этой трещины еще не приведут к наступлению предельного состояния разрушения в пределах заданного ресурса. До настоящего времени такие подходы в расчетах еще не получили достаточно систематизированного изложения даже применительно к однородному металлу, не говоря об учете возможной неоднородности механических свойств сварных соединений. Изложению подобных вопросов применительно к оценке работоспособности сварных соединений и конструкций, посвящен ряд последующих глав настоящей монографии.

Резковыраженная анизотропия критических напряжений сдвига и двойникования в титане, различная ориентировка кристаллов по отношению к действующей нагрузке предопределяют возможность появления значительной микронеоднородности деформации поликристаллического металла. От неоднородности деформированного состояния по микрообъемам деформируемого металла и, как следствие, неоднородности напряженного состояния .в отдельных элементах структуры в зна-. чительной степени зависят характеристики пластичности и склонность к хрупкости [14, 15]. Особенно подробно эти вопросы изучены исследователями под руководством А. В. Гурьева [ 16—20].

Градиент напряжения G, 1/мм2, — характеристика степени неоднородности напряженного состояния (по сечению, по длине).

На усталостную прочность влияет соотношение главных напря-' жений и характер изменения напряжений по поперечному сечению образца и его длине. Величиной, характеризующей степень неоднородности напряженного состояния, является относительный градиент напряжений (деформаций), который выражается в общем виде формулой

Протяженность области концентрации напряжений de или пластической зоны dp в слоистых композитах с упругими или пластичными матрицами определяет область влияния неоднородности напряженного состояния, вызванной разрушением одного или более находящихся рядом армирующих элементов. Как только произойдет разрушение с образованием трещины, как показано на рис. 4 и 5, напряжения в двух элементах с каждой стороны ее на длине 8 = 2d возрастут по сравнению с номинальным напряжением всюду вне этой области. Наиболее вероятно, что дальнейшие процессы разрушения будут локализованы в этой полосе длины 8 и сопровождаться развитием существующей зародышевой трещины. Следовательно, как отметили впервые Гюсер и Гурланд [12] и широко использовал Розен с соавт. [30], нагруженный слоистый композит полной длины L можно рассматривать как ряд из п = — L/8 статистически независимых соединенных звеньев, как показано на рис. 6, в каждом из которых может независимо происходить зарождение разрушения и процесс его развития.

Главное, вероятно, в решении задач о сопротивлении разрушению образцов с кольцевыми выточками заключается в определении места расположения опасной зоны и учете фактора неоднородности напряженного состояния. Решение первой части этой задачи состоит в исследовании состояния металла в зоне влияния кольцевого надреза.

В [93] сделана попытка оценить влияние неоднородности напряженного состояния. Исследование металла после испытаний на длительную прочность показало, что во всех случаях разрушения образцов с кольцевыми надрезами имели межзеренный характер с образованием пор диффузионной природы, причем наибольшая поврежденность наблюдалась в объемах металла, удаленных от вершины подреза на расстояние 0,1-0,02 г0, где г0 — радиус наименьшего сечения в надрезе.

Коэффициент неоднородности напряженного состояния для исследованной геометрии надреза определяют из сравнения расчетных пределов прочности с соответствующей прочностью образцов. Такие расчеты проводят, сохраняя идентичность механизмов разрушения. По времени до разрушения образца с кольцевым надрезом, испытанного при 565 °С, рассчитывалось соответствующее значение напряжения и находился искомый коэффициент

В табл. 4.1 приведены результаты испытаний образцов с над-ре^ами и расчета напряженного состояния по методу [97]. По величинам о-,, о-2, сг3 и сопоставлением времени до разрушения каждого образца с данными расчета по уравнению (4.17) рассчитаны коэффициенты неоднородности напряженного состояния: среднее значение kcp= 0,828. Это согласуется с приведенной выше оценкой [109].

Определяя долговечность других деталей с неоднородные сложным напряженным состоянием, следует параметры кольцевых надрезов подбирать так, чтобы в наименьшем сеченш образца были созданы адекватные условия для проявления эффекта неоднородности напряженного состояния в исследуемьи деталях.

Характерным является отсутствие влияния местной неоднородности напряженного состояния на несущую способность труб при однократном нагружении внутренним давлением. Так, в результате развития пластических деформаций при статическом разрушении устраняется овализация сечения, сглаживается концентрация и изгибные эффекты в зоне сварного шва из-за наличия усиления, смещения кромок и угловатости.

Начало исследованиям по статистической теории прочности положено работами Вейбулла [110] и Н. Н. Афанасьева [2]. Появление этой теории вызвано необходимостью объяснить разброс экспериментальных данных при испытании большого количества образцов. Советский ученый исходил из следующих предпосылок: реальный металл состоит из отдельных кристалликов, имеющих внутренние напряжения и вследствие различных условий их роста не являющихся однородной массой; механические свойства отдельных зерен в направлении действующей силы различны вследствие наличия химической неоднородности и неоднородности напряженного состояния.