Кинетика процесса накопления повреждений при циклическом деформировании судостроительных сталей

В соответствии с изложенной выше методикой были проведены серийные испытания сплошных цилиндрических и тонкостенных трубчатых образцов. В условиях трех приведенных в табл. 6.5.1 видов напряженного состояния было испытано при различных уровнях напряжений по 10—15 образцов, изготовленных из сталей ВСтЗсп, 09Г2 и 10ХСНД. При этом, кроме прикладываемого к образцу усилия, измерялись деформации и их фазовые сдвиги относительно напряжений в каждом из главных направлений, а также тепловой эффект циклических деформаций. На рис. 6.6.1 приведены в качестве примера силовые, деформационные и энергетические параметры циклического деформирования трубчатого образца (09Г2) при одном из видов (II, табл. 6.5.1) плоского напряженного состояния в зависимости от числа циклов нагружения. Аналогичные графики, рассчитанные и построенные для всех образцов, дали обширную информацию о процессе накопления усталостных повреждений.

Интенсивность энергетических затрат в процессе циклического деформирования характеризуется удельной (отнесенной к единице объема) суммарной необратимо затраченной энергией W' за один цикл нагружения. На рис. 6.6.2 приведены зависимости W от относиш.

тельного числа циклов при различных видах напряженного состояния и уровнях напряжений для стали 09Г2. Во всех случаях, здесь и в дальнейшем, уровень напряжений характеризуется их интенсивностью

ст, — =V^CTi^+стз-^ст1^стз;

Рис. 6.6.1. Изменение силовых, деформационных (а) и энергетических (б) параметров циклического деформирования трубчатого образца (09Г2) при плоском напряженном состоянии (вид II, табл. 6.5.1) в зависимости от относительного числа циклов (в момент разрушения N* = 1,26 • 10^s).

Рис. 6.6.2. Зависимость необратимо затраченной за цикл деформирования энергии от относительного числа циклов нагрузки цилиндрических (а) и трубчатых (б — г) образцов из стали 09Г2 (I—III — см. табл. 6.5.1).

Анализ полученных зависимостей показал, что они различны для исследуемых материалов и их характер зависит от уровня напряжений и вида напряженного состояния. При этом изменяется склонность материалов к упрочнению или разупрочнению и интенсивность этих процессов. Полученные зависимости W' от а, и от вида напряженного состояния позволяют сделать следующие выводы:

• 1) с уменьшением а, зависимость W' от N / N* становится более монотонной;
• 2) в области многоцикловой усталости, т. е. при напряжениях, близких к пределу усталости, необратимо затраченная за цикл энергия практически не зависит от числа циклов нагружения, т. е. с достаточной точностью можно принять W' =/(ЛГ/JV*) = const при данном уровне напряжения. Это в равной мере справедливо для всех трех сталей в исследованном диапазоне различных видов напряженного состояния.

Аналогичные выводы можно сделать и на основании литературных данных, полученных для машиностроительных сталей (см. работы В. В. Федорова и В. Т. Трощенко).

Использование в качестве критерия усталостного разрушения всей суммарной затраченной энергии циклических деформаций А, которая может быть определена численным интегрированием в соответствии с зависимостью (6.5.2), подвергается многими исследователями справедливой критике. Приведенные на рис. 6.6.3 зависимости энергии А и суммарного теплового эффекта Q от относительного числа циклов нагружения наглядно демонстрирует кинетику изменения суммарных затрат энергии циклических деформаций и, в то же время, показывает, что А не является постоянной для данного материала характеристикой, а зависит от уровня напряжения.

Рис. 6.6.3. Зависимость суммарной затраченной энергии А и суммарного теплового эффекта Q от относительного числа циклов для сталей ВСтЗсп (а) и 09Г2 (б) при различных уровнях напряжений (II, III — см. табл. 6.5.1).

Суммарная затраченная энергия в области многоцикловой усталости А значительно превышает удельную энергию разрушения при статическом нагружении и энергию, эквивалентную скрытой теплоте плавления. Если сравнить А со скрытой теплотой плавления L_s (для железа) и теплосодержанием металлов в жидком состоянии при температуре плавления AH_s, то окажется, что значения А могут в десятки раз превышать величину энергии, необходимой для превращения металла в жидкое (расплавленное) состояние. Это свидетельствует о том, что в области многоцикловой усталости большая часть затраченной на циклическое деформирование энергии не является ответственной за повреждаемость и усталостное разрушение металлов.

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что суммарные значения удельной энергии А, затраченной на циклические деформации к моменту разрушения, меняются в широких пределах в зависимости от условий испытаний. В связи с этим суммарная затраченная энергия А не может быть принята в качестве критерия усталостного разрушения.

В соответствии с формулой (6.5.4) изменение плотности внутренней энергии определяется как разность между суммарно затраченной энергией А и суммарным тепловым эффектом Q циклических деформаций. На рис. 6.6.4 представлены кинетические кривые изменения в деформируемых объемах плотности внутренней энергии ДЕ для исследуемых образцов стали 09Г2 при различных видах напряженного состояния и проведено их сопоставление с кривыми усталости, построенными в координатах «интенсивность напряжений а, — логарифм числа циклов до разрушения IgN*». Регрессионные уравнения вида ст, = /(lg N*) и соответствующие коэффициенты корреляции помещены в табл. 6.6.1. Анализ кинетических кривых показывает, что процесс накопления в деформируемых объемах материала скрытой энергии протекает с переменной скоростью. Интенсивность этого процесса зависит также от уровня напряжения и тем выше, чем больше амплитуда напряжения.

Уровень циклических напряжений существенно влияет на соотношение между внутренней накопленной энергией и тепловым эффектом. По данным В. В. Федорова, которые находятся в полном соответствии с полученными в проведенном исследовании судокорпусных сталей результатами, с увеличением напряжения количество внутренней энергии растет, достигая 25—30% суммарной затраченной энергии А. При этом уменьшается та часть затраченной энергии, которая трансформируется в тепло, несмотря на более сильный разогрев материала при высоких напряжениях. При малых напряжениях преобладающая часть (до 95% и выше) затраченной энергии превращается в тепловую, которая в основном проходит через материал «транзитом», т. е. рассеивается в окружающую среду за счет теплообмена. При напряжениях, меньших предела усталости, накопление скрытой энергии будет происходить настолько медленно, что она при любом реально достижимом числе циклов деформирования не может достичь значений, близких к критической плотности внутренней энергии ДЕ*.

Рис. 6.6.4. Сопоставление кинетических кривых изменения плотности внутренней энергии А? в зависимости от числа циклов деформирования и кривых усталости при различных видах напряженного состояния для стали 09Г2:

1 — сплошные цилиндрические образцы; 2—4 — тонкостенные трубчатые образцы; I—III — см. табл. 6.5.1.

Таблица 6.6.1

Функции ст, = f (lg Л/*) при различных видах напряженного состояния (кривые усталости).

Окончание табл. 6.6.7.

На рис. 6.6.5 представлены экспериментальные значения изменения плотности внутренней энергии Д?*, накопленной материалом к моменту разрушения, в координатах ДЕ" — a_it а в табл. 6.6.2 и 6.6.3 — значения ДЕ* при различных видах напряженного состояния и статистический анализ величин ДБ" соответственно. Оказалось, что амплитуда циклических напряжений и вид напряженного состояния не влияют на величину критических значений изменения плотности внутренней энергии ДЕ", т. е. эта энергия является величиной постоянной для данного материала.

Таблица 6.6.2

Критические значения изменения плотности внутренней энергии Л?*, МДж / м³, при различных видах напряженного состояния (I—III — см. табл. 6.5.1).

Таблица 6.6.3

Статистический анализ экспериментально полученных критических значений изменения плотности внутренней энергии ДЕ*, МДж / м³

Довольно значительный разброс экспериментальных значений Д?* (рис. 6.6.5, а) объясняется рассеянием результатов испытаний на выносливость, ошибками измерения составляющих энергетического баланса и другими факторами. Причины подобных ошибок состоят в основном в том, что при больших напряжениях время выхода.

Рис. 6.6.5. Критические значения изменения плотности внутренней энергии Д?* в деформируемых объемах при различных амплитудах о, (а) и плотности их распределения (б):

о — сплошные цилиндрические образцы; о — трубчатые образцы, I; д — трубчатые образцы, II; о — трубчатые образцы, III; «ад® — то же при блочном нагружении (I—III — см. табл. 6.5.1) испытательной машины на режим не учитывается при обработке опытных данных, хотя составляет значительную, а иногда и большую часть времени, затраченного на испытание. При малых напряжениях значительно снижается точность определения затраченной за цикл энергии ДЕ в связи с уменьшением величин а, е, ср и соответствующим снижением точности их определения. Кроме того, при напряжении, приближающемся к пределу усталости, в связи с большим числом циклов деформирования до разрушения значительно увеличиваются суммарные количества затраченной энергии циклических деформаций Л и их тепловой эффект Q. В результате этого снижается точность определения величины плотности внутренней энергии в материале ДЕ, определяемой согласно зависимости (6.5.4) как разность двух соизмеримых величин, каждая из которых приблизительно на порядок выше, чем ДЕ.

Ошибка определения ДЕ представляют собой случайную величину, распределенную по нормальному закону (рис. 6.6.5, б). При этом плотность вероятности описывается законом.

параметры которого представлены в табл. 6.6.3.

Анализ экспериментальных данных об энергетическом балансе процесса усталостного разрушения металлов (см. табл. 6.6.2,6.6.3) показывает, что критические значения (математические ожидания) изменения плотности внутренней энергии ДЕ* для всех трех исследованных сталей в отожженном состоянии практически равны и по величине близки к теплосодержанию железа при температуре плавления в твердом состоянии.

В связи с этим можно оценивать величину ДЕ" по термодинамическим константам материалов, как это показано в работах В. С. Ивановой.

Некоторые отклонения экспериментальных значений ДЕ" (в основном в меньшую сторону) от значений ДН_те можно объяснить разбросом свойств сталей, некоторым отличием теплосодержания при температуре плавления технического железа и сплавов железа с легирующими элементами, а также неравновесностью исходного состояния исследуемых сталей.

Таким образом, лишний раз подтверждается тот факт, что реальный металл в любом исходном состоянии содержит различного рода элементарные дефекты и повреждения, скрытая (потенциальная) энергия которых ДЕ₀ является наследственной характеристикой. Если представить критическое изменение плотности внутренней энергии ДЕ" в виде.

то на основании имеющихся экспериментальных данных можно определить плотность скрытой энергии в исходном (до деформирования) состоянии, которая составит для исследованных сталей в абсолютном и относительном выражениях:

Несколько большие, по сравнению с ВСтЗсп, значения ДЕ₀ для сталей 09Г2 и 10ХСНД связаны, видимо, с наличием легирующих добавок, оценка влияния которых на величину скрытой энергии в исходном состоянии может явиться предметом самостоятельного исследования. Таким же образом можно осуществить представляющую самостоятельный интерес оценку влияния различных технологических факторов (термической и механической обработки) на энергоемкость дефектов исходной структуры материала, иными словами, на исходную поврежденность.

Влияние на величину ЛЕ₀ различных структурных состояний материала, определяемых режимом термической обработки, можно проиллюстрировать, воспользовавшись данными, полученными В. В. Федоровым для стали 45 (за ноль условно принята ДЕ₀ в отожженном состоянии):

• — в нормализованном состоянии АЕ_и =970М Дж/м³ или 0,12ДП_ТВ;
• — в улучшенном состоянии ДЕ_У =2400 МДж/м³ или 0,29ДН_ТВ.

Эти приближенные оценки наглядно показывают значение плотности скрытой энергии материала в исходном (до деформирования) состоянии (исходной поврежденности), накопленной материалом за счет структурных изменений в результате различных режимов термической обработки, в общем энергетическом балансе процесса накопления усталостных повреждений.

Не меньшее влияние должны, очевидно, оказывать также такие факторы, как наличие начальных макродефектов и несовершенств конструкций, сварочных напряжений и т. п., что также требует специальных исследований.

Таким образом, выводы, сделанные В. В. Федоровым на основании исследования ряда машиностроительных материалов при циклическом одноосном нагружении, могут быть распространены на другие виды напряженного состояния. Подводя итог, можно утверждать, что:

• 1) в процессе усталости металла моменту образования трещины критического размера и разрушения предшествует постепенное накопление в деформируемых объемах внутренней энергии до уровня критического значения ДЕ*, величина которого хорошо коррелирует с теплосодержанием материала в твердом состоянии при температуре плавления, что позволяет производить оценку ДЕ* по термодинамическим константам материала;
• 2) критическое значение изменения плотности внутренней энергии ДЕ* не зависит от амплитуды действующего напряжения ст, и вида напряженного состояния, что подтверждает целесообразность использования ЛЕ* в качестве физически обоснованного критерия разрушения материалов;
• 3) в процессе накопления усталостных повреждений имеет место неравномерность процесса поглощения энергии, т. е., строго говоря, интенсивность повреждаемости зависит не только от уровня напряжений, но и от стадии процесса усталости, однако в области многоцикловой усталости при напряжениях, близких к пределу усталости, энергия, необратимо поглощаемая материалом за цикл деформирования, остается практически постоянной на протяжении всего процесса накопления усталостных повреждений вплоть до момента появления магистральной трещины.