CC BY
28
№ 8 2008
620.178
ОСОБЕННОСТИ ПОВРЕЖДЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ
НАГРУЖЕННОСТИ
Каш).техн.наук .1. II. ('АНКИП
Рассматривается соотношение кватстатической и усталостной ночрежденноспт <)в\'Х контрастных материалов стали н титанового сплава на основании деформаинонно-■зиерретическо.ю подхода и их вклад в долговечность материала. Отмечается нелинейны!7 характер накопления повреждений ооенх сплавов.
Прогнозирование долговечности материала и конструкций при переменном погружении и воздействии различных факторов является сложной проблемой 11.2|. требующей учета физических представлений о природе повреждения [3]. Подход к проблеме усталости металлов с деформационных и энергетических позиций [4,51 позволяет получать результаты расчета параметров выносливости, наиболее близкими к практике. Анализ влияния различных факторов, таких, как ступенчатое нагружение [6|, асимметрия цикла |7|, пластическая деформация |8| и др.. на усталостную прочность материалов выявляет особенности их повреждения при циклическом нагружении.
Изучалась кинетика повреждения титанового сплава и стали 45 при циклическом нагружении и влияния на нее предварительной пластической деформации и асимметрии цикла.
Испытания при циклических нагрузках проводили на корсетных образцах титанового сплава ПТ-ЗВ и стали 45 при симметричном и одностороннем (/? = 0 ) цикле нагружения в исходном состоянии. Одна из партий образцов из титанового сплава подвергалась предварительной пластической деформации при растяжении. Величина предварительной пластической деформации выбирались такой, которую мог получить материал в процессе изготовления или
технологической обработки (например, правки), и составляла ет — 1п---- 3 и 5% где Эст
/ - Эцт
- относительное остаточное сужение поперечного сечения образца.
В процессе циклического нагружения с помощью метода динамической петли гистерезиса оценивали рассеяние энергии сплавом, при циклическом нагружении. Для повышения разрешающей способности этого метода применяли синхронное вычи тание упругой составляющей
№8
200
деформации, что позволило определять коэффициент относительного рассеяния энергии с то1 ностыо до 0,5-Н% [7]. Коэф(|>ициемт рассеяния энергии вычисляли по формуле [8]
Ле
M'v = К
(I
где к^ - коэффициент формы петли механического гистерезиса (для параболической формы при нимали А:. =1,33); Дс - ширина петли механического гистерезиса; Е - размах деформации в про
цессс циклического нагружения.
Оценка повреждения титановых сплавов на основании энергетических критериев, опре деляемых по параметрам механического гистерезиса в переходной и особенно «чистой» облас ти усталости, весьма затруднительна, поскольку эти сплавы относятся к сплавам с малой демпфирующей способностью. Предварительная малая пластическая деформация растяжением спо собсгвуст интенсификации микропластических деформаций титановым сплавом [7]. Это позво лило, даже в области «чистой» усталости, стабильно записывать петли механического гистерезиса и определять изменение рассеяния энергии в процессе циклического нагружения (рис.1).
а
3 2 1
400 380
/1 1 - -а =330 МПа а
б
!. ззо 1
if ¿310 И /'л ' L) (.J |
1 !
1(Г
10
10"
10
10"
10 п,цикл
l'uc. I. Рассеяние энергии в образцах из титанового сплава ГГГ-ЗВ после предварительной пластической деформации ('„„=0.03 при циклическом пагружепии: а - коэффициент асимметрии й = -1:6 — коэффициент асимметрии й = 0.
За величину относительного рассеяния энергии \|/ соответствующую данному напряжению
или долговечности до разрушения, принимали значение \|/ на горизонтальном участке кривой
M'y =M'yf(рис.16) или в случае постоянно изменяющихся кривых (рис.la), значение \\Jy. которое измерялось при половине числа циклов нагружения до разрушения. Как показали опыты. эта величина рассеянной энергии \|/ хорошо коррелирует с долговечностью материала до
разрушения N, и по его величине можно прогнозировать момент разрушения (появлению трещины 0,2-Ю.5мм).
Повреждение, накапливаемое в материале, может быть обусловлено как процессами, вызванными цикличностью изменения нагрузки и приводящими к усталостному разрушению, так и процессами направленного пластического деформирования, приводящими к квазистати-
№ 8 2008
чес кому разрушению. Подход к разрушению, основанный па учете величины односторонне накопленной и циклической деформации, если пренебречь взаимным влиянием процессов накопления деформаций и усталостных повреждений, можно выразить |9] как
(2)
где ¿/^ и с/С] - усгалоспюе и квазистатическое повреждения. Линейная форма записи гипотезы
суммирования усталостных повреждений наиболее проста, хотя и не всегда соответствует опытным данным [ 10].
Усталостный характер разрушения свойственен симметричному циклическому нагру-жению растяжением - сжатием, когда в силу специфики проведения испытаний исключена возможность накопления односторонних деформаций. Предполагая, что усталостное повреждение определяется в основном циклической (петельной) деформацией, можно связать разрушение материала при симметричном циклическом иагружепии с накоплением усталостных повреждений. темп которых контролируется величиной относительного рассеяния энергии \|/ч.
При отнулевом циклическом нагружении в зависимости от величины амплитуды циклического напряжения может наблюдаться не только развитие петли механического гистерезиса, по и накопление односторонних пластических деформаций, которые трактуются как квазис га гическое повреждение вида
где 0СТ - накопленная односторонняя деформация сплава; 0/( - величина пластической деформации, определяемой в момент разрушения по результатам статических испытаний.
Долю усталостного повреждения при отнулевом нагружеиии ( /? = 0) в линейной трактовке определяли отношением долговечностей до разрушения (рис.2а):
определяемых при отнулевом /V,, и симметричном N_| циклическом нагружеиии, отвечающих одинаковой величине рассеяния энергии \\1У, контролирующей накопление усталостных повреждений. Возможность такого подхода основана на том, что циклическое нагружение в
области долговечностей /V > И)' циклов до разрушения, когда в материале при отнулевом нагружеиии образцов с исходной структурой односторонне накапливаемая деформация очень мала, долговечность до разрушения при одинаковом рассеянии энергии (// не зависит от асимметрии цикла нагружения Я (рис.2а). Различие наблюдается лишь в области N < 5 • К) цик-
№ 8 2(Ш
лов, когда относительная доля квазистатической повреждаемости ¿/.г представляет уже значительную величину.
^ %
А ч
— о««^ Ч> ч
N0
N. *
а
Рис.2. Связь относительного рассеяния энергии \|/ и долговечности до разрушения при
симметричном (I) и отнулевом (2) циклическом нагружеиии титанового сплава ПТ-ЗВ в различном структурном состоянии: а — исходное состояние; б - предварительная деформация растяжением.
Предварительная пластическая деформация растяжением вносит в структуру определенную долю квазистатической поврежденносги аег, его состояние становится отличным от исходного. Поэтому относительную долю усталостного повреждения по соотношению (4) определяли относительно новых кривых \|/у = \\1 (N ) (рис.2б). В этом случае при долговечности до разрушения N >104 циклов при симметричном (I) и отнулевом (2) циклах нагружения не совпадают, а являются эквидистантными кривыми.
Графики изменения параметров неупругости 1|/ч и 0С|., ответственных за усталостную и статическую составляющие для стали 45 представлены на рис.За и 36. Для одной и той же долговечности кривые У|Уу — N при = -/ расположены выше и правее и, наоборот, кривые для
отнулевого цикла нагружения Я —0 \\! ^ — N - ниже и левее. Симметричному циклу характерен наиболее высокий уровень рассеяния энергии , но величина односторонней деформации близка к нулю (9С1 —> 0). поэтому будет естественным считать повреж-
№ 8 2008
дения при симметричном цикле состоящим только ич первого слагаемого уравнения (2)
d =/.
N
ч>
0.8 0.6 0.4 0.2 0
]п
¥
100 1 103 МО4 МО3 1 10й 1 Ш7М,ЦШЛ 100 МО2' МО4 МО3 МО6 1 кг N.IJIIKl
а б
Рис.3. Изменения рассеяния 'энергии \\) (а) и относительного остаточного сужения 0СТ((>) стали -15 к чаиисимоет от числа циклон разрушения N при симметричном (I) и отпулсвом (2). (3) циклах н;иружеиия
Титановый сплав и сталь -- представители разных классов материалов, обладающих контрастными свойствами. Так. если для сплава ПТ-ЗВ уровень рассеяния энергии и величина накопленной пластической деформации на пределе выносливости для всех характеристик цикла
практически одинаковы и близки к нулю, то для стали 45 оба параметра (V|/N и GCT) завися т от асимметрии цикла и имеют довольно большие значения. В связи с ti им для оценки величин долей повреждения d и dcl, приводящих к разрушению для стали 45, следует из общей величины коэффициента рассеяния энергии и относительного сужения при разрушении вычитать их «безопасные» доли, соответствующие пределу выносливости при данной асимметрии цикла. I [ри ассиметричном нагружении усталостную составляющую повреждения для стали 45 можно определить по уравнению (4) соответствующему одинаковому значению рассеяния энергии (рис.За), за вычетом ее доли на пределе выносливости.
При однократном растяжении (частном случае циклического пагружепия.
СТ., = О, R = +/ ), когда отсутствует усталостная составляющая повреждений, d% —0, его статическая доля принята за единицу d — / и оценивается относительным сужением разрывного образца 0Й. При асимметричном нагружении с характеристикой цикла R доля статического повреждения d оценивается отношением (3). за вычетом ее доли па пределе выносли-
вости.
№8
200,S
О .S 0.6 0.4 0.2 О
Вычисленные таким образом значения составляющих повреждения для титанового сплава в исходном состоянии и после предварительной пластической деформации и стали 45 отложим па графике с1к — dC|. (рис.4а). Если бы каждая из составляющих повреждения ds и
dc| являлись линейной функцией разрушающего числа циклов, то полное повреждение с!л + d = / соответствовало бы диагонали графика.
^ет 1 ;I ----¿сг 1
0.8 0.6 0.4 0.2
l'uc.-l Нзаимоевял> квазиетатичсской «С| и усталостной d долей повреждения при отиулевом циклическом
нагружепии для сплава 1IT-3R в исходном ( 1 ) и пластически деформированном состоянии (2) и стали 45 (3) при линейном (а) и нелинейном (б) суммировании повреждений.
По в действительности экспериментальные зависимости для обоих материалов оказались нелинейны, причем для стали сумма d + dCJ < /, а для титановог о сплава в исходном состоянии
d + dÇ[ > I, а после предварительной пластической деформации - наоборот. Соответственно
и темп накопления повреждений для стали (кривая 3) замедленный, а для титанового сплава в исходном состоянии (кривая 1 ) - ускоренный, а после предварительной пластической деформации-замедленный (кривая 2).
Для образцов титанового сплава в исходном состоянии характерен ускоренный темп накопления повреждешюсти dY и d.v, можно представить как
d;"+= 1. (5)
где коэффициенты Ш() и П(] определяют характер накоплении повреждаемостей.
I Предварительное пластическое деформирование растяжением е — 2 — 5%, если оценивать темп квазистатической поврежденности линейным, вносит долю повреждения d^ к 0,163 . При циклическом отнулевом нагружении материал получает дополнительное
_Имеет и» вузов. МАШИНОСТРОЕНИЕ_ 35
№ 8 200Н
квазистатическое dcl и усталостное повреждения и соотношение между квазистатическим
и усталостным повреждением определяется кривей 2 (ем.рис.4а). Гели при высоких амплитудах циклических напряжений темп поврсжденпости сплава d близок к исходному, i.e. является ускоренным, то в переходной и «чистой» областях усталости в темпах поврсжденпости исходного и пластически деформированного материала наблюдаются большие различия и суммарная поврежден н ость d = ds + dcl < I.
Анализ показал, что темп накопления квазистатического повреждения пластически деформированных образцов можно принять таким же. как и для исходных, т.е. ускоренным, а характер накопления усталостных повреждений после пластической деформации изменяется и становится замедленным.
Условие разрушения может быть оценено как
d "''""' +d"[' = /. (6) где m J - коэффициент влияния пластической деформации на темп усталостной поврсжденпости (в нашем случае /77, — 0,033 ). который переходит от ускоренного П1Г) > / к замедленному
/77 = т0т, < I. Показатели степени /77 и /7. являясь структурно-чувствительными параметрами, отражают свойство материала накапливать усталостные и статические повреждения. Для стали 45 /77 = 0,65, п — 0,34 . а для сплава ГГГ-ЗВ /77 = 3, /7 = 4 . Результат суммирования повреждений исследуемых материалов в нелинейной постановке представлен на рис.46.
К числу отличительных особенностей разрушения исследованных материалов следует отнести разную протяженность области перехода от квазистатического разрушения к усталостному, в которой оба вида повреждения ds и dcl соизмеримы. Для титанового сплава повреждения имеет либо статический, либо усталостный характер. Для стали 45 типичен смешанный характер разрушения.
Результаты проведенных испытаний позволяют сделать следующие выводы.
1. Оценка характера повреждения испытуемых металлов при циклическом нагруже-нии в области квазистатичсского и усталостного нагружения выявила нелинейную взаимосвязь поврежденности и числа циклов нагружения.
2. Выявлена специфика повреждения титанового сплава при отнулевом нагружении, проявляемая в отсутствии смешанного характера накопления квазистатического и усталостного повреждения. В зависимости от величины циклического напряжения поврежденность сплава носит либо квазистатический, либо усталостный характер. Для стали 45 характерен смешанный механизм повреждения с общим замедленным темпом в зависимости о т числа нагружения.
3. Предварительная пластическая деформация титанового сплава растяжением при
циклическом нагружении способствует изменению темпа накопления повреждений и перехода
его от ускоренного к замедленному характеру изменения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1984.-312с.
2. Новак X. Методы прогнозирования долговечности//Поведение стали при циклических нагрузках. - М.: Металлургия, 1983, с.441-474.
3- Гурьев A.B., Савкин А . H . Роль микропластических деформаций в развитии усталостных повреждений в металлах. В сб.: Механическая усталость металлов. - Киев: Наук, думка, 1983, с. 122-129.
4. Трощенко В . Т . Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. - Киев: Наук, думка, 1981. - 340с.
5. Гурьев A.B., Савкин А.Н. Исследование влияния предварительной циклической перегрузки на изменение демпфирующей способности углеродистых сталей. В сб.: Рассеяние энергии при колебаниях механических систем. - Киев: Наук, думка, 1978, с.150-156.
6. Гурьев A.B., Кондратьев О . В . Влияние асимметрии цикла на рассеяние энергии и усталостную прочность. В сб.: Рассеяние энергии при колебаниях механических систем. - Киев: Наук, думка, 1982, с.206-214.
7. Гурьев A.B., Савкин А. H . Влияние предварительной пластической деформации на рассеяние энергии в металле при циклических нагрузках. Там же. - с. 190-198.
8. Писаре н ко Г. С., Яковлев А.П., Матвеев В . В . Вибропоглащающие свойства конструкционных материалов. - Киев: Наук, думка, 1971. - 375с.
9. Серен сен C.B., Шнейдерович Р . M . Критерии разрушения при циклическом упруго-пластическом деформировании. В сб.: Прочность при малом числе циклов на-гружения. - М.: Машиностроение, 1969, с.80-87.
Ю.Филатов В.М., Шнейдерович Р . M . Сопротивление малоцикловому разрушению при повышенных температурах, Пробл. прочности, 1971, №2, с.79-88.
