Меню

  • На главную

Поиск

  • Влияние температуры на прочность твердых тел ч.2

    Posted 10/26/2009 в 7:19:49 ПП

    Развитие исследований по термической усталости в последние 10—15 лет основывается на температурно-временном анализе напряженного и деформированного состояния в элементах конструкций и рассмотрении сопротивления разрушению применительно к соответствующим тепловым и механическим процессам, что открывает определенные возможности в решении задач расчета на прочность деталей при циклическом термиче ском нагружении.
    Важным этапом экспериментального исследования термоусталости явились работы Л. Ф. Коффина и Р. П. Весли (Trans. Amer. Soc. Mech. Engrs, 1954, 76 : 6, 923—930), позволившие сравнительно просто и надежно определять напряжения и деформации путем испытания защемленного по концам тонкостенного циклически нагреваемого трубчатого образца. В дальнейшем было предложено (С. В. Серенсен и П. И. Котов, 1959) проведение испытаний с варьируемой жесткостью путем управления упругой системой нагружения, т. е. варьирование граничных условий в том случае, когда величина силовой деформации оказывается меньше температурной.
    Расширение возможных вариантов соотношения механического и температурного циклов (деформация от внешних нагрузок может быть больше температурной, а в момент достижения максимальной температуры может быть не сжатие, а растяжение; сдвиг фаз температурного и механического циклов; различные сочетания термических и механических нагрузок и т. д.) было получено Н. Д. Соболевым и В. И. Егоровым (1962) путем синхронной температурному циклу подгрузки (при нагреве — сжатие, при охлаждении — растяжение), А. В. Стрижало (1967) с использованием установки с программным изменением нагрузки и температуры, А. И. Ивановым и Б. Ф. Трахтенбергом (1968) путем разработки методики независимого механического и теплового нагружения.
    А. А. Платонов и Н. М. Скляров (1962) и А. В. Ратнер (1964) предложили оценивать сопротивление материала термической усталости путем испытания образцов при одностороннем накоплении пластической деформации по полуциклам растяжения в момент охлаждения образца.
    Р. А. Дульневым, В. И. Егоровым, Е. Н. Пироговым и Н. Д. Соболевым были предложены более точные методы определения величины упруго-пластической деформации при испытании образцов на растяжение — сжатие (1962 и сл.).
    Большое разнообразие вариантов напряженного и деформированного состояния в реальных условиях циклического температурного нагружения определило необходимость проведения соответствующих исследований. В экспериментах В. Н. Кузнецова (1957) в трубчатом образце создавалось знакопеременное плоское напряженное состояние за счет циклически изменяющегося радиального температурного градиента. Ю. Ф. Баландин (1967) осуществил испытания циклически нагреваемых и охлаждаемых трубчатых образцов, защемленных по концам, при одновременном их нагружений внутренним постоянным давлением.
    Нужно отметить, что механизм термической усталости во многом подобен механизму усталости при механическом воздействии, так как в обоих случаях причинами разрушения являются одни и те же факторы: воздействие переменных многократных напряжений и знакопеременные пластические деформации. Поэтому для определения закономерностей термической усталости часто используют вспомогательные данные о поведении изучаемого материала при изотермическом циклическом нагружений (Я. Б. Фридман, 1962). Однако существуют и различия между ними, не позволяющие в ряде случаев заменить испытания на термическую усталость испытаниями на механическую усталость. Дело в том, что за счет изменения температуры в течение каждого цикла происходит постоянное изменение различных физических свойств материала (модуля упругости, предела текучести и др.), приводящее, в свою очередь, к изменению сопротивления материала воздействию термических напряжений. Для термической усталости характерна локализация деформации в зонах с наибольшим температурным перепадом даже в однородном поле напряжений (термическая концентрация) из-за неравномерности температурного поля, возникающего в деталях. Отметим также, что сопротивление механической усталости при невысоких температурах и не слишком малых частотах нагружения мало зависит от частоты нагружения, в то время как термическая усталость существенным образом связана с длительностью цикла нагружения, а также с временем выдержки материала в высокотемпературной части цикла.
    Многократные циклические напряжения зачастую приводят к разрушению сначала отдельных зерен или границ между ними, а затем и к полному разрушению образца (термическая усталость от термоструктурных напряжений). Исследование микроструктурных напряжений в зависимости от температуры было проведено в работах В. А. Лихачева (1958), Н. Н. Да-виденкова и В. А. Лихачева (1960).
    Отмеченные выше факты указывают на необходимость систематического исследования термической усталости и, в частности, получения для заданных интервалов температур кривых, связывающих величину деформации с числом циклов до разрушения.
    Серьезные теоретические исследования этого аспекта принадлежат Л. Коффину (см. выше) и С. Мансону (Mach. Design, 1958, № 12—13 и 16—18), причем последним предложена единая кривая усталостной прочности.
    В. Н. Кузнецов (1957) экспериментально изучал вопросы прочности при термической усталости и предложил зависимость между числом циклов до разрушения, интенсивностью пластической деформации и максимальной амплитудой линейной пластической деформации.
    В работе С. В. Серенсена и П. И. Котова (1960) были получены диаграммы деформирования в полуциклах нагрева и охлаждения.
    Н. С. Можаровским (1966) на основании экспериментальных исследований на растяжение стержней из жаропрочных упрочняющихся материалов получены зависимости между напряжением и деформацией при любом цикле теплового нагружения.
    В дальнейшем в работах С. В. Серенсена, Ю. Ф. Баландина, В. И. Егорова, П. И. Котова, Н. С. Можаровского, Н. Д. Соболева (1960 и сл.), были получены эмпирические зависимости долговечности (число циклов до разрушения) от различных параметров напряженного и деформированного состояния и термического цикла (величины изменения пластической и полной деформации, напряжений, перепада температур за цикл и т. д.).
    Результаты испытаний ряда жаропрочных сталей в одном и том же интервале температур при одноосном напряженном состоянии и чистом сдвиге позволили Н. Д. Соболеву и В. И. Егорову (1963) предложить энергетическую теорию формоизменения для термической усталости. Установление энергетического критерия разрушения и существование единой кривой циклического деформирования позволяют получить зависимости долговечности от изменения интенсивности напряжений, деформаций и энергии пластической деформации за цикл и показать связь между этими зависимостями.
    В работе Н. С. Можаровского (1967) показано, что в качестве основного критерия разрушения пластических упрочняющихся материалов при термоциклических нагрузках, вызывающих знакопеременные пластические деформации, можно принять величину суммарной необратимо поглощаемой энергии, затраченной на процесс деформационного упрочнения и определяемой по соответствующим диаграммам неизотермического деформирования.
    Ю. Ф. Баландин (1964) и Н. С. Можаровский (1967) исследовали влияние наложения статической нагрузки на термоциклические напряжения. Характер температурного цикла (уровень температур, продолжительность цикла) определяет величину деформации, ход кривой циклического деформирования, релаксацию напряжений и сопротивление разрушению. В связи с этим практическое значение имеют результаты исследований Ю. Ф. Баландина (1966) и Р. А. Дульнева (1967), изучавших вопрос влияния времени выдержки при максимальной температуре цикла.  В работах П. И. Котова (1961) и Н. С. Можаровского (1963) была показана возможность представления характеристик теплостойкости материалов при различных температурных режимах в виде единой кривой термической усталости.