книги / Циклическая прочность металлов

Достаточно полное исследование в этом направлении провели И. В. Кудрявцев и Л. И. Савко [381 с образцами из трех сталей: ЗОХМ, 1X13 (ЭЖ1) (нержавеющей, полуферритного класса) и 1Х18Н9Т (ЭЯ1Т) (нержавеющей, аустенитной).

Предел усталости определялся при температурах от 20 до 700° на образцах гладких и упрочненных обкаткой родиками, без надрезов и с круговыми надрезами.

Заготовки для образцов из стали ЗОХМ подвергались закалке в воде при температуре 870° и отпуску при температуре 600

Сталь ЗОХМ Сталь 1X13 (ЭЖ1) Сталь 1Х18Н9Т (ЭЯ1Т)

а)	6)	в)
Ф иг. 118. Графики зависимости	предела усталости разных	сталей от тем­
пературы	(повыш енной) испытаний:

а — для стали ЗОХМ; б —для стали 1X13 (ЭЖ1); в — для стали 1Х18Н9 (ЭЯ1Т)** ^ — Для гладких неупрочненных образцов; 2 — для гладких упрочненных (обкатыванием роли­ ками) образцов; 3 — для надрезанных неупрочненных образцов; 4 — для надрезанных упрочненных образцов.

с выдержкой в течение двух час. и охлаждением на воздухе. За­ готовки из стали 1X13 (ЭЖ1) подвергались закалке в масле при температуре 1050° и отпуску при температуре 700° с 2-часовой выдержкой и охлаждением на воздухе. Заготовки 'из стали 1Х18Н9Т (ЭЯ1Т) подвергались закалке в воде при температуре

1100° с отпуском	при температуре 650°	при выдержке	7 час.
с последующим охлаждением на воздухе.			образец
Циклическая	нагрузка на каждый	испытываемый

при испытании на машине Я-8 прикладывалась только после нагрева образца до исследуемой температуры и выдержки при этой температуре в течение 15 мин.

Полученные величины предела усталости испытанных сталей приведены в табл. 62 и изображены в виде графиков на фиг. 118.

Таблица 62

Влияние окруж аю щ ей (высокой) температуры на предел усталости стали

(по исследованиям И. В. Кудрявцева и Л. И. Савко)

					о_1 в кг/мм2
Марна	Вид образцов				при температуре в °С
стали
		20	200	300	400	500	550	600	650	700
ЗОХМ	Неупрочненные	41,5	37,5	40,2	37,2	28,2		17,2
	гладкие . .
	Неупрочненпые			18,5	18,7	14,5		11,5	9,7
	надрезанные . . 25,5 11,5
	Упрочненные глад­	46,5		40,5	40,2.	28,5		17,2
	кие .
	Упрочненные над­	39,2	24,5	31,5	31,7	27,2	—	16,5	—	—
	резанные .
1X13	Иеупрочненные	37,5		27,7	26,5	22,5	19,5
(ЭЖ1)	гладкие .
	Неупрочненные	18,7	21,5	11,7	13,2	10,7	10,2
	надрезанные
	Упрочненные глад­	38,5		31,7	31,5	24,5	19,5
	кие ..................
	Упрочненные над­	32,5	33,5	23,5	19,0	13,0	9,0	—
	резанные .
1Х18Н9Т	Неупрочненпые	28,5	22,5		21,5	20,5		20,5
(ЭЯ1Т)	гладкие
	Неупрочненные	24,5	23,5	_	20,5	13,5	_	13,5		11,5
	надрезанные .
	Упрочнённые глад­	48,5	34,5		32,5	31,5		26,5
	кие . . .
	Упрочненные над-	35,5	25,5	—	24,5	19,5	—	18,5	—	16,5
	резанпые

Данные табл. 62 и графики на фиг. 118 подтверждают выска­ занное выше общее положение о том, что циклическая прочность стальных изделий уменьшается с повышением температуры, при­ чем уменьшение это происходит более интенсивно в изделиях с надрезами. Это уменьшение наблюдается как в изделиях с неупрочненной поверхностью, так и в изделиях с упрочненной поверхностью (обкатанных роликами, обдутых дробью и пр.).

С понижением температуры (ниже комнатной) циклическая прочность стальных изделий повышается. В табл. 63 приведены результаты еще одного исследования [39], проведенного в этом направлении. Температуры образцов из конструкционной стали в этом исследовании принимались весьма низкие: —75 и —183*; это достигалось помещением образцов в процессе испытаний в сне-

циальные ванны, наполненные твердой углекислотой (—75°) и жидким кислородом (—183°).

При этих исследованиях обнаружилось, что при температуре

—183° повысились также величины предела						прочности и пре­
дела текучести		испытываемых		металлов.		Таблица 63
Влияние		н и зки х	тем ператур		на предел усталости стали
Марка			Температура
			в °с		в кг/ммЪ	в %
			2°		t '	100
Ст.	3				22,6
			—183		50,5	223
			20		39,0	100
Сталь	Э8		—75	(/	42,5	109
			—183		56,0	144

ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ЖАРОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ

ИСПЛАВОВ

§29. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Выше (в § 28) был рассмотрен с достаточной подробностью» вопрос о влиянии эксплуатационных температур на циклическую прочность стальных изделий. Рассмотрению подверглись конструкционные углеродистые и легированные стали, работаю­ щие (в изделиях) обычно при таких температурах, при которых их предел усталости имеет вполне определенную величину, не за­ висящую от базы испытаний. Но в современных конструкциях применяют нередко специальные жаростойкие (жаропрочные) стали и сплавы, которые должны оставаться прочными и должны работать сравнительно долгое время при весьма высоких темпе­ ратурах.

Основой жаростойких сплавов является сталь, а добавками к ней служат хром и никель в значительных количествах и в меньшем количестве молибден или вольфрам или оба вместе'. Весьма эффективными присадками оказались также титан и ко­ бальт, которые применяют для получения особо высокой жаро­ стойкости, а также такие металлы, как уран, торий, берилий

ицирконий.

Втабл. 64 приведен химический состав, а в табл. 65 —

показатели статической прочности некоторых применяемых в настоящее время жаростойких сталей и сплавов.

Изучению циклической прочности жаростойких сталей и спла­ вов в условиях высоких температур в настоящее время стали уделять значительное внимание; особенно большое значение имеет изучение показателей циклической прочности жаростойких сталей и сплавов при асимметричном цикле растяжения-сжатияу как пульсирующем, так и вибрационном, применительно к усло­ виям загружеиия рабочих лопаток турбин и им подобных кон­ струкций. Однако наибольшее распространение получили все же испытания в воздушной среде на циклический изгиб по симметрич­ ному циклу в связи со сравнительной простотой проведения их.

Таблица 64

Химический состав некоторы х ж аростойких сталей и сплавов

Химический состав D %

Марка стали
или сплава	С	Сг	N1	Мо	W	Ti	Со	А1	N2
ЭИ60	0,45	13,9	13,8	0,4	1,75		_	_	_
ЭИ69	0,47	14,1	13,85	0,30	2,55	—	—	—	—
ЭИ257	0,08	14,5	14,8	0,5	2,26	—	—	—	—
ЭИ395	0,15	16,2	25,62	6,0	—	—	—	—	0,14
ЭИ437	0,10	20,2	Осталь­	—	—	2,46	—	1,0	—
Нихром	0,16	20,0	ное			0,28
			64,0	—	—		—	—	—
Тинидур	0,14	13,5	28,0	—	—	1,78	—	—	—
Вестингауз	0,16	16,0	39,0	0,5	—	0,35	20,0	—	—
Виталиум	0,16	25,0	3,5	3,3	—		60,0

				Таблица 65
П оказатели	статической прочности	некоторы х	ж аростойких	сталей
		Напряжение разрыва в кг/лшз
Марка стали	Температура	при времени нагрева в час.
	остывания в °С	100	500	1000
ЭИ60	600	29,0	25,0	24,0
	650	22,0	19,0	17,0
	700	17,0	12,0	8,0
ЭИ257	550	34,0	28,0	26,0
	600	28,0	23,0	21,0
	650	19,0	17,5	16,0

Исследования показали, что жаростойкие стали ы сплавы ведут себя в условиях циклического нагружения при высоких темпера­

турах	различно в		зависимости		от. своего	химического состава
и термической		обработки;		но	наблюдаются и некоторые		поло­
жения,	более	или	менее	общие для всех		жаростойких	сталей

и сплавов, определяющие поведение в этих условиях всех их. По Долану [2], [106] целесообразно различать при изучении

влияния температуры на циклическую прочность каждой жаро­ стойкой стали или сплава три стадии:

стадию I — умеренно повышенных температур, не превосхо­ дящих той температуры, когда при статической нагрузке начи­ нается ползучесть металла; на этой стадии закономерности циклической прочности жаростойких сталей и сплавов почти ничем не отличаются от закономерностей, изученных ^ля обычных конструкционных сталей; циклическая прочность на этой стадии вообще мало обличается от прочности при комнатной температуре;

стадию’ II — высоких температур, при которых ползучести имеет, но вместе еще с другими факторами, уже весьма большое значение в процессе разрушения сплавов;

стадию III — весьма высоких температур, при которых раз­ рушение жаростойких сталей и сплавов происходит главным образом за счет их ползучести.

Границы между этими стадиями бывают различные и зависят от свойств сплава.

Наибольший интерес представляет изучение циклической проч­ ности жаростойких сталей и сплавов в стадии II и особенно в стадии III. На этих именно стадиях циклическое деформирование

металла вызывает	большие внутренние процессы:		сдвиги,	выпа­
дение и скопление	дисперсных фаз,	нарушение	и восстановле­
ние правильности	кристаллической	решетки, дробление		зерент

усиление диффузионных процессов в поверхностных слоях и др. Одни из этих внутренних процессов, как-то: сдвиги и выпаде­ ние дисперсных фаз, вызывают упрочнение металла. Другие про­ цессы, как-то: скопление дисперсных фаз, восстановление пра­ вильности кристаллической решетки, появление расклиниваю­ щих нитридов в поверхностном слое и т. п., вызывают, наоборот,

разупрочнение металла.

При различных температурах и прп различной подвижности атомов в кристаллической решетке металла процессы упрочнения и разупрочнения его протекают с различной интенсивностью, и состояние жаростойкого металла, находящегося под действием циклического загружения, определяется тем, какие процессы при данной температуре преобладают. При температурах относи­ тельно низких (400—500°) преобладают процессы упрочнения; с повышением температуры (до 700° и выше) начинают преобладать разупрочняющие процессы, понижающие циклическую прочность.

При определении циклической прочности жаростойких сталей

исплавов, предназначенных работать при температурах стадии II

иособепно стадии III, большое значение имеет вопрос о форме усталостной диаграммы и ее аналитическом выражении. Это важно,

в частности, тогда, когда результаты испытаний, полученные на основе базы с малым числом циклов, приходится распростра­ нять па большое число циклов, которое должен выдержать металл в условиях своей реальной службы.

При лабораторных испытаниях жаростойких сталей и сплавов часто наблюдается, что при высоких температурах стадии III второй участок усталостной диаграммы имеет не горизонтальное направление, а наклонное, стремящееся к пересечению с осью

абсцисс (осью циклов). Это показывает, что					при	таких высоких
температурах испытываемый			металл	пе	имеет	определенной
величины	предела	усталости,	при	числе	циклов N = со, и
что в этих	случаях	следует говорить о пределах ограниченной

(условной) усталости, соответствующих тому или другому числу циклов, принятому при их определении за базу испытаний.

Т^Графически это можно показать с помощью усталостных диа­ грамм, для аналитической апроксимации которых примем в общем

.случае функцию, соответствующую наклонной прямой (фиг. 119) в полулогарифмических координатах,

105-а° -		(^ - У ‘	(42)
где <т0 и N0 —- координаты	точки	перелома	диаграммы;
а — действующее	напряжение;		при напряжении а;
N — число циклов до разрушения

к— параметр, характеризующий тангенсы углов на­ клона первого (начального) и второго (конечного) участков диаграммы, к = кг = mig ах для первого

участка;

к =

к2 = mtg а2

для

второго

участка.

При а2 =

0 и, следовательно, при

к2 = 0 получаем диаграмму

с

гори­

зонтальным

вторым

участком,

пока­

зывающим, что испытываемый металл

имеет

определенный

четко выражен­

ный предел

усталости

(фиг. 119, а).

С

повышением

внешней темпера­

туры

параметр

кх убывает, а пара­

метр к2 увеличивается;

при какой-то

высокой

температуре

они

сравня­

ются,

и диаграмма

усталости полу­

чает вид непрерывной прямой линии,

наклоненной к оси абсцисс, которая

показывает,

что

циклическая

проч­

ность

данного

металла

при

этой

высокой

температуре

характери­

зуется не постоянной, четко опре­

деленной

величиной

предела

уста­

лости

(ее нет), а величинами, меняю­

щимися в зависимости от продолжи­

тельности

службы

этого

металла

в конструкции; чем больше срок-

службы

(число

грузовых

циклов),

тем меньше по величине

предел уста­

Фиг.

119. Усталостные

диа­

лости

его, и наоборот.

При

этом

весьма важно добавить,

что

каждый

граммы жаростойких

сплавов

такой

предел ограниченной (услов­

при

испытаниях

их

при

раз­

ных

высоких

температурах.

ной)

усталости

в

тех случаях, когда

испытываемый

металл

(в

изделии)

предназначается для длительной службы, не является

сам по себе

•совершенно достаточной характеристикой

для

оценки

цикличе­

ской прочности, так как нужно

еще

знать

градиент снижения

его

значенинКпри увеличении числа циклов.

<-

В согласии с изложенным при экспериментальном изучении циклической прочности жаростойких сталей и сплавов в процессе длительного действия высокой температуры применяют базу испытаний в 50—200 10е и даже более циклов. Обычно база испытаний таких сплавов принимается в соответствии с предпо­

лагаемой	долговечностью изделий. Например,		база	испытаний
в 40 10е	циклов соответствует	долговечности	300	час. (при
частоте 2000 цикл./мин.); база в		120 10е циклов соответствует
долговечности 1000 час. и т. д.

Так как от этого трудоемкость исследований значительно уве­ личивается, то на практике нередко приходится отказываться от всестороннего изучения циклической прочности и ограничи­ ваться определением предела усталости при одном только напря­ женном состоянии и часто только на гладких образцах.

Исследования показывают, что чувствительность жаростой­ ких сталей и сплавов к надрезам при высоких температурах не остается постоянной и меняется с изменением внешней темпера­ туры, особенно при длительном воздействии последней; однако установить какую-либо закономерность в этом направлении пока не представляется возможным. Точно так же пока не удалось уста­ новить какой-либо корреляционной связи между пределами’ уста­ лости жаростойких сплавов и характеристиками ползучести их при высоких температурах, несмотря на то, что в этих условиях именно ползучесть является главным фактором разрушения.

Термическая обработка изделий (образцов) из жаростойких сплавов, выполненная перед испытаниями, обычно изменяет циклическую прочность, но в разных направлениях, в связи с ве­ личиной температуры испытаний и с особенностями изменения внутренней структуры их; режим стабилизации, дающий наиболь­ шие показатели статической прочности, бывает также различным для разных сталей и сплавов при разных температурах.

Изломы усталостных разрушений образцов из жаростойких сталей и сплавов при высоких температурах чаще сохраняют признаки, наблюдаемые у этих сплавов при нормальной темпе­ ратуре, а именно:

1) притираемость поверхностей изломов тем больше, чем ниже циклическое напряжение и чем больше было число циклов до разрушения;

2)число очагов разрушения увеличивается в связи с размер­ ным фактором и с величиной напряжения;

3)место окончательного усталостного разрушения намечается

всогласии с принципом избирательности.

Но эти изломы у жаростойких сплавов имеют и свои особен­ ности, из которых общими и наиболее заметными являются такие [2]: при низких температурах испытаний (до 500°), а также при высоких температурах, но при быстром по времени разрушении изделия (образца), на поверхности излома замечается оксидная пленка, по цвет^ и интенсивности окраски меняющаяся с изме-

нением температуры и продолжительности испытаний; при высо­ ких температурах испытаний (600° и выше) и большом числе циклов поверхность усталостного излома имеет много раковин, обусловленных возникновением окалины и ее уплотнением, а также истиранием в процессе циклического загружения.

Исследования показывают также, что процесс усталостного разрушения жаростойких сталей и сплавов при высоких темпера­ турах стадий II и III зависит в заметной степени от частоты циклов нагружения, и это потому, что скорость процесса усталостного разрушения обусловливается, как было указано, не только величиной напряжения, но и временем.

§ 30. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ НЕКОТОРЫХ ЖАРОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Ниже рассмотрены примеры экспериментального изучения циклической прочности жаростойких сталей и сплавов, наиболее интересных в производственном отношении, а именно: сталей ЭИ437, ЭИ395 и ЭИ434 [1], [3].

Стали ЭИ437 и ЭИ395 являются высоколегированными аусте­ нитными сталями, упрочнение основного твердого раствора в ко­ торых происходит за счет интерметаллидов в первой стали и за счет мелкодисперсных карбонитридов — во второй. Сталь ЭИ434 принадлежит также к высоколегированным аустенитным сталям. Химический состав сталей ЭИ395 и ЭИ437 был приведен в табл. 64. Заготовки для образцов подвергались закалке с приблизительно одинаковым режимом; образцы имели одинаковые размеры и ис­ пытывались на консольной машине Я-8. Образцы испытывались гладкие и с надрезами в двух состояниях: закаленные и закаленные с последующей стабилизацией для получения наибольшей статиче­ ской прочности.

Испытания по изучению циклической прочности проводи­ лись при температурах всех трех стадий, указанных выше: 1) при температурах 20—600°, при которых испытываемые стали давали усталостную диаграмму с горизонтальным вторым участком (фиг. 119, а) и показывали определенный предел уста­ лости при числе циклов N = оо; 2) при температурах 600—800е, при которых усталостные диаграммы не имели уже горизонтального второго участка (фиг. 119, б; в) и можно было определять только

пределы ограниченной (условной) усталости, соответствующие вы­
бранной базе	испытаний (N = 50	10е циклов для стали ЭИ437
и N = 100	10е для сталей ЭИ395	и ЭИ434). Найденные в ре­

зультате испытаний величины пределов усталости, общей и огра­ ниченной, приведены в табл. 66.

Анализ этих результатов подтверждает высказанные выше общие положения о поведении жаростойких сталей и сплавов под воздействием циклического загружения; в частности, эти резуль­ таты наглядно показывают различные характеры циклической

248

Марна База стали испытаний

ЭИ437 N = 50 • 10е,

ЭИ395	и	к-* о	ОА
		о

ЭИ434 ЛГ = 1 0 0 • 1 0 е

Влияние тем пературы на предел усталости жаропрочны х сталей

Вид образцов

Гладкие

	Предел (общей) уста­
	лости o _ j		в кг 1мм2
Окончательная термическая	(фиг.		119. а)
обработка образцов	при температуре °С
	20	500		600
Закалка при температуре 1200°	28,2	—		—
Закалка при температуре 1200°	33,0	—		—
и стабилизация при темпе­
ратуре 750°

Надрезанные	Закалка при температуре 1200°	26,5	—	26,2
»	Закалка при температуре 1200°	20,5	—	27,5
	и стабилизация
Гладкие	Закалка при температуре 1180°	25,5	29,2	—
»	Закалка при температуре 1180°	30,5	30,2	—
	и стабилизация при темпе­
	ратуре 750° в течепие 16 час.
Надрезанные	Закалка при температуре 1180°	23,5	20,5	—
»	Закалка при температуре 1180°	24,5	20,2	—
	и стабилизация
Гладкие	Закалка при температуре 1220°	31,5
	и стабилизация при темпе­

ратуре 700° в течение 24 час., затем при температуре 800° в течение 10 час.

Предел ограниченной усталости В КВ1ММ2 (фиг. 119, б и в)

при температуре в °С

600	650	700	750	800
37,0	—	34,5	—	25,5
34,3	—	28,5	—	23,5
—	—	20,5	—	14,0
—	—	21,5	—	16,0
30,5	—	25,7	—	19,1
26,5	—	21,3	—	I-»* 0о0
17,5	—	14,8	—	15,3
17,2	—	16,8	—	15,3
	25,0	21,7	18,0

Надрезаппые То же	29,0	~~	—	— 18,0 14,3 — —