книги / Структура и прочность конструкционных материалов

Расчет долговечности на стадии развития трещин в соответствии с зависимостью (3.4) показал хорошее соот­ ветствие эксперименту (рис. 3.6).

Если испытания проводятся при v^-const и Дир=0, то

у t -Nр=const=c,

(3.5)

причем с=г*.

Рис. 3.6. Соответствие экспериментальных и рассчитанных по зависимости (1.5) данных для стали Х18Н10Т (650°С)

При циклическом нагружении vp , 6Т являются функцией номинальных напряжений/ формы цикла и числа циклов (рис. 3.7). Малым нагрузкам (большим долговечностям) со­ ответствуют малые остаточные односторонне накапливаемые к моменту разрушения перемещения берегов трещины

(°)

Дир=ирр . При больших уровнях нагрузки (и малых долго­ вечностях, при которых в условиях однородного напряжен­ ного состояния имеет место квазистатическое разрушение) остаточное раскрытие трещины оказывается практически равным раскрытию при однократном разрушении.

Зависимость vp и Лгр от уровня номинальных напряже­ ний вызывает перераспределение отдельных составляющих повреждений в зависимости (3.4), при больших долговеч­ ностях основное повреждение протекает за счет упругого раскрытия и закрытия трещины. При малых долговечностях

Глава 4. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ И РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ

4.1. Зависимость циклических свойств от с т р у к т у р н о г о состояния материалов

Долговечность элементов конструкций при малоцикло­ вом нагружении существенно зависит от свойств материала (его структурного состояния) и условий нагружения, оп­ ределяющих амплитуды упругопластических деформаций и величины односторонне накапливаемых пластических дефор­ маций. Эти деформации в свою очередь определяют интен­ сивность накопления усталостных и квазистатических по­ вреждений и переход к предельному состоянию.

В связи с этим, вопросам выбора конструкционных ма­ териалов при проектировании должно уделяться соответст­ вующее внимание. При этом основой для выбора материалов должен являться анализ нагруженности в зонах и вне зон концентрации. Предпочтение в конструкциях, работающих при малоцикловом нагружений, должно отдаваться тем мате­ риалам, которые для заданных условий нагружения позво­ ляют снизить указанные выше усталостные и квазистэти­ ческие повреждения за требуемый срок эксплуатации.

Как было отмечено ранее, конструкционные материалы могут быть разделены на циклически упрочняющиеся, цик­ лически разупрочняющиеся и циклически стабильные с ха­ рактерными для них параметрами диаграмм циклического деформирования. В зависимости от структурного состояния и условий нагружения один и тот же материал может либо упрочняться, либо оставаться стабильным при циклическом нагружении. При этом темп накопления повреждений по числу циклов может уменьшаться, увеличиваться или сохра­ няться постоянным.

Параметры диаграмм циклическЬго деформирования уста­ навливаются из экспериментов при мягком нагружении. При отсутствии соответствующих экспериментальных данных о

ных наплавок. Режимы нагружения, близкие к мягкому, име­ ют место при отсутствии повышенной концентрации напря­ жений и действии механических (осевые силы, внутреннее давление) или тепловых нагрузок, возникающих от осевых градиентов температур или от ограничения самокомпенсации. В соответствии с этим при выборе материалов для элементов конструкций с преимущественно жестким режимом нагружения наиболее предпочтительными следует считать те, которые в эксплуатационном диапазоне температур имеют устойчивый уровень пластичности и обеспечивают пониженные амплитуды местных упругопластических мате­ риалов. При преимущественно мягком режиме нагружения в зонах максимальной местной напряженности более целесо­ образно применение материалов с пониженными циклической анизотропией и разупрочнением или склонных к цикличе­ скому упрочнению при сохраняющейся на достаточном в про­ цессе эксплуатации уровне пластичности. Если в конструк­ ции могут иметь место режимы нагружения во всем диапа­ зоне от мягкого до жесткого, то более рациональным сле­ дует считать использование циклически стабилизирующихся материалов с соответствующей исходной пластичностью.

Поскольку расчет прочности элементов конструкций при малоцикловом нагружении начинается с роста напря­ женно-деформированных состояний, в результате которого и определяется уровень пластической и упругой деформа­ ций, то выбор материала для случая жесткого нагружения сводится к выбору материала с необходимой пластичностью. В основу такого выбора может быть положено то обстоя­ тельство, что все материалы в относительных координатах "ô/e-Np" (где е - предельная деформация однократного разрушения) имеют единую кривую малоцикловой усталости (рис. 4.1). При известном (рассчитанном) значении пла­ стической деформации 6 в цикле необходимо выбрать мате­ риал с такой пластичностью, чтобы он по циклическим свойствам располагался на данной единой кривой.

При одинаковых уровнях пластичности предпочтение должно быть отдано материалу с большей энергоемкостью, определяемой как оте.

Следует отметить, что при мягком нагружении материа­ ла одного и того же класса или один и тот же материал, при разных температурах испытания и в относительных ко­ ординатах оа/ов , как правило, также дает единую кривую малоцикловой усталости (рис. 4.2).

4,2, Расчет на прочность на стадиях образования и развития разрушения

Изложенное выше позволяет выполнить расчет долговеч­ ности элементов конструкций при циклическом нагружении как на стадии образования, так и развития трещин.

На стадии инициирования трещин расчет осуществляет-? ся применительно к зонам концентрации напряжений и мо­ жет быть выполнен как в местных, так и в усредненных деформациях. В последнем случае метод расчета предлага­ ется для грубой инженерной оценки долговечности.

В основу расчета долговечности при циклическом на­ гружении положен принцип суммирования повреждений, рас­ смотренный выше. Для определения местных деформаций используются результаты испытания материалов в условиях однородного напряженного состояния и их соответствующие аналитические интерпретации применительно к материалам циклически упрочняющимся разупрочняющимся и стабилизи­ рующимся в процессе циклического нагружения. При этом пластические циклические и статические свойства опреде­ ляются для зон концентрации с учетом их стесненности и кинетики в процессе нагружения. Расчет коэффициентов концентрации напряжений и деформации Ке производится на основе модифицированной зависимости Нейбера.

Для расчета используется зависимость типа (1.6). Применительно к концентратору напряжений зависимость

	(1.6) в местных деформациях может быть				записана	следу­
	ющим образом:
	« Р « е У У п + У у »		♦	ZP ^ п а х	. 1(	(4.1)
	о	**

где е„ - номинальные деформации, Де„,а„ - деформация, на-

копленная в зоне максимальных напряжений в концентрато­ ре, Оа “ теоретический коэффициент концентрации напряже­ ний, Kg ” коэффициент концентрации деформаций в упруго­ пластической области, причем Ke=f(N), еу - номинальная упругая деформация в цикле, е* - максимальная деформация в зоне надреза (концентратора) при статическом разруше­ нии, которая может быть определена через деформацию од­ нократного разрушения гладкого образца е с учетом стес­ ненности пластической деформации в зоне концентрации в виде [40, 41]

ef '	I е >	Т=ф	<4-2>
(где I - коэффициент повышения первого главного напряже­
ния в зоне концентрации	напряжений,		ф - поперечное суже­

цессе циклического нагружения. В последнем случае рас­ чет оказывается наиболее простым и для его реализации используется зависимость (3.4):

	AV	+V	(4.8)
о	__Е__1 = 1,
	у *	с
	с

где V- - необратимое раскрытие берегов трещины при мак­ симальной нагрузке в цикле, vt - упругопластическое раскрытие трещины в полуцикле, Avp - необратимое раскры­ тие берегов трещины к моменту разрушения, vc - предель­ ное раскрытие берегов трещины при однократном статиче­ ском разрыве образца с трещиной, размеры которого соиз­ меримы с размером рассчитываемой детали, v - раскрытие трещины (дефекта) исходной длины. °

Порядок расчета в местных деформациях для случая трещины полностью совпадает с расчетом на стадии образо­ вания трещины в зонах концентрации с той лишь разницей, что предельно накопленное повреждение в вершине трещины обусловливает ее рост (скачок) и общая долговечность определяется суммой приростов трещины за множество скач­ ков, количество которых определяется уровнем номиналь­ ной напряженности и циклическими свойствами материала. При этом при расчете очередного скачка статическая де­ формация вычисляется по предельной деформации в верши­ не трещины при статическом нагружении. Причем длина трещины статического нагружения и циклического должны быть равными.

Л и т е р а т у р а 1234

1. Р о м а н о в А.Н ♦ Поведение материалов при цик­ лическом нагружении в связи с их статическими свойства­ ми // Структурные факторы малоциклового разрушения ме­ таллов. М.: Наука, 1977.

2. Р о м а н о в А.Н., Г а д е н и н М.М. Исследо­ вание процесса деформирования при малоцикловом нагруже­ нии // Проблемы прочности, 1971, № 11.

3 .	Л о з и н с к и й	М . Г . , Р о м а н о в	А.Н.,
М а л о в	В.В. Деформационное	старение аустенитной	ста­

ли при высокотемпературном малоцикловом нагружении // Физика металлов и металловедение, 1975. Т. 39, вып. 5, с. 1060-1067.

4. Л	о-э и	н с к и й М.Г., Р о м а н о в А.Н.,
М а л о в	В.В.	Влияние малоциклового программного на-