Деформационные свойства материалов при сочетании знакопеременного течения и формоизменения

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ПРИ СОЧЕТАНИИ ЗНАКОПЕРЕМЕННОГО ТЕЧЕНИЯ И ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ

Ю.Н. Ребяковл, О.Ф. Чернявский2

Предложена новая методика испытаний для определения механических характеристик материалов при малоцикловом деформировании с ненулевыми размахами и приращениями неупругих деформаций за цикл. На примере нескольких типичных сталей установлены основные закономерности изменения деформационных свойств вследствие взаимного влияния циклического упрочнения и квазистатического наклепа.

Ключевые слова: циклическое неупругое деформирование, накопление деформаций, деформационное упрочнение

Деформационные свойства материалов подробно изучены для двух видов малоциклового нагружения - знакопеременного течения с ненулевыми размахами неупругих деформаций за цикл [1-6 и др.] и прогрессирующего накопления приращений деформаций за цикл [6, 7]. Рост нагрузок и температур в новых конструкциях и, с другой стороны, переход от обеспечения прочности к связанным задачам техногенной безопасности [8] все чаще приводят к необходимости анализа процессов, в которых одновременно отличны от нуля как размахи, так и приращения неупругих деформаций. Свойства материалов в таких условиях не изучены: неизвестны основные закономерности взаимного влияния циклических и квазистатических деформаций, отсутствуют методы проведения испытаний, нет соответствующих стандартов и справочных данных. Среди причин такого состояния одной из главных является, по-видимому, проблема измерений. В процессе испытаний должны фиксироваться размахи полных и пластических деформаций за цикл, приращения деформаций за цикл и полная накопленная деформация вплоть до разрушения. При одинаковых циклических и статических повреждениях за цикл эти величины могут различаться в тысячи и даже десятки тысяч раз, а их измерение проводится чаще всего одним деформометром.

Для преодоления этой основной трудности предлагается использовать блочное нагружение стандартных образцов, в котором каждый блок включает два этапа: вначале жесткое циклическое нагружение с заданным размахом деформаций и числом циклов, а затем увеличение накопленной деформации. При этом приращение деформации в каждом таком блоке задается так, чтобы расчетное отношение накопленного статического повреждения к циклическому равнялось заданной величине (например, единице). Блоки нагружения повторяются вплоть до разрушения образца. Приближенность такого подхода очевидна, но при достаточно большом числе циклов в каждом блоке приращения деформации становятся соизмеримы с шириной петли пластического гистерезиса. Выбор величин размахов деформаций за цикл, числа циклов и приращения деформации в блоке определяется, в частности, возможностями деформометра. Крайними случаями при этом являются долом образца после некоторого числа жестких циклов и такое нагружение, при котором блок содержит один цикл знакопеременного деформирования с последующим приращением деформации.

В качестве примеров, иллюстрирующих, прежде всего, качественные особенности деформационных свойств сталей с учетом взаимного влияния эффектов циклического и статического деформирования, ниже приводятся результаты испытаний сталей 03Х21Н32М3Б (ЭП 864), ЭИ 612 и сплава ХН55МВЦ при различных температурах без длительных выдержек. Для этих сталей в жестких циклах характерно типичное поведение: циклическое упрочнение (или разупрочнение -в зависимости от предшествующей истории) на стадии приработки сменяется стабилизацией с последующим разупрочнением на стадии предразрушения. Испытания проводились при растяжении-сжатии корсетных образцов с фиксацией поперечной деформации е .

1 Ребяков Юрий Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной механики, динамики и прочности машин, Южно-Уральский государственный университет.

2 Чернявский Олег Федорович - доктор технических наук, профессор кафедры прикладной механики, динамики и прочности машин, Южно-Уральский государственный университет.

Механика

Деформирование образцов производилось по двум программам. В первой из них вначале производилось жесткое циклическое деформирование с постоянным заданным размахом пластической деформации за цикл 8ер . Затем следовал статический долом, т.е. монотонное увеличение

деформации вплоть до разрушения. Испытания проводились при различных размахах деформации и различных числах циклов N. Полученная диаграмма деформирования сопоставлялась с диаграммой однократного (без циклических нагружений) деформирования.

В испытаниях по второй программе проводилось блочное нагружение образца: выполнялось N жестких циклов с заданным постоянным размахом пластической деформации за цикл 8ер, после этого давалось приращение деформации Ае'р, величина которого обеспечивала равенство

расчетных статического и циклического повреждений в каждом блоке. Такие блоки из двух этапов с примерно равными повреждениями повторялись вплоть до разрушения образца. Статическое повреждение в блоке определялось как отношение приращения деформации за цикл 8ер к

разрушающей деформации при статическом нагружении Циклическое повреждение определялось как отношение числа циклов в блоке N к разрушающему N^ при том же размахе деформации за цикл. Величины е^ и N^ вычислялись с использованием справочных данных [6], полученных ранее при испытаниях на той же установке.

Типичные результаты испытаний с доломом после одного блока жестких циклов иллюстрирует рис. 1. Положение и форма диаграмм долома зависят от циклического упрочнения (разупрочнения), накопленного на предыдущем этапе. Только для циклически стабильных материалов диаграмма долома может совпадать с диаграммой статического однократного деформирования.

При достаточно заметной ширине петли пластического гистерезиса переход от этой петли к диаграмме статического деформирования (долома) происходил плавно, без сколько-нибудь заметных изломов. В точке реверса при выходе из петли гистерезиса касательная к диаграмме до-лома являлась касательной к продолжению петли гистерезиса. Этот факт, по-видимому, объясняется «памятью» материала. Носителями «памяти» являются остаточные микронапряжения и изменения структуры, которые в момент выхода из петли гистерезиса соответствуют предшествующему процессу циклического деформирования. Можно отметить, что при упругой разгрузке и повторном нагружении (т.е. при исчезающе малой ширине петли гистерезиса) остаточные микронапряжения и изменения структуры также весьма малы, но, как известно, даже их сравнительно небольшое влияние обычно отчетливо проявляется при испытаниях.

а, а, а,

Рис. 1. Кривые деформирования (е' = Д <//</,,). Кривая 1 соответствует статическому нагружению.

а) ЭП864, 600 °С. 2,3,4 - долома после циклического упрочнения на базе 1, 25 и 450 циклов; б) ХН55МВЦ, 400 °С. 2 -долом после 285 циклов при 8е’ = 0,187 %; в) ЭИ-612, 650 °С. 2 - долом после 210 циклов

Следующей важной особенностью диаграммы долома для всех испытанных материалов является весьма медленное «забывание» циклического упрочнения (или разупрочнения) при увеличении накопленной деформации (статического повреждения). В соответствии с полученным на этапе циклического деформирования циклическим упрочнением диаграмма долома проходит

выше (при разупрочнении - ниже) кривой однократного монотонного деформирования. С увеличением накопленной деформации расстояние между этими кривыми постепенно уменьшается, но к моменту разрушения образца может оставаться значительной частью той величины, которая имела место в момент выхода из петли гистерезиса даже в случае, когда циклическое повреждение является небольшим. При этом положение кривой долома, определяемое величиной циклического упрочнения или разупрочнения, зависит от размаха пластической деформации и числа циклов.

Результаты испытаний по второй программе (блок жестких циклов и последующее приращение деформации с примерно таким же расчетным повреждением, какое было накоплено в блоке жестких циклов) иллюстрирует рис. 2. Штриховые линии здесь соответствуют первому полуцик-лу каждого блока, сплошные - последнему циклу. Числа под петлями гистерезиса показывают общее число циклов от начала нагружения до конца данного блока. Последним был блок, в котором образовывалась макротрещина. Начальный участок кривой статического однократного деформирования обозначен 0, предел прочности <гв .

А£; = 0,27%; б) ЭП864, 400 °С; в) ЭИ612 при 650 °С; Ае ' = 0,726 %, Ае' = 0,2 %

Механика

Рис. 2 показывает, что все отмеченные выше характерные особенности диаграмм деформирования, обнаруженные при доломе после жестких циклов, полностью сохраняются при блочном нагружении: кривая однократного деформирования не характеризует процесс накопления деформаций; выход из пели гистерезиса соответствует обобщенной кривой; циклическое упрочнение (разупрочнение) существенно влияет на накопленные деформации, но форма петель слабо зависит от статических повреждений в широком диапазоне последних. Очевидно, что эти особенности сохранятся и в том случае, когда блок будет содержать один цикл с последующим приращением деформации.

Вместе с тем необходимо отметить, что стабильное накопление остаточных перемещений было обусловлено чередованием в каждом блоке циклического разупрочнения и наклепа, вызванного увеличением статического повреждения. Этот механизм деформирования отличается от общепринятых представлений о том, что стабильное прогрессирующее формоизменение возможно лишь при отсутствии деформационного упрочнения [7].

Литература

1. Прочность при малоцикловом нагружении: Основы методов расчетов и испытаний / С.В. Серенсен, Р.М. Шнейдерович, Н.А. Махутов и др. - М.: Наука, 1975. - 288 с.

2. Махутов, Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: в 2 ч. /

Н.А. Махутов. - Новосибирск: Наука, 2005. - Ч. 1. Критерии прочности и ресурса. - 493 с. - Ч. 2. Обоснование ресурса и безопасности. - 610 с.

3. Мэнсон, С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость / С. Мэнсон. - М.: Машиностроение, 1974. - 344 с.

4. Москвитин, В.В. Циклические нагружения элементов конструкций / В.В. Москвитин. - М., Наука, 1981. - 344 с.

5. Гохфельд, Д. А. Пластичность и ползучесть элементов конструкций при повторных нагружениях / Д.А. Гохфельд, О.С. Саадаков. - М.: Машиностроение, 1984. - 256 с.

6. Механические свойства сталей и сплавов при нестационарном нагружении: справочник / Д.А. Гохфельд, Л.Б. Гецов, К.М. Кононов и др. - Екатеринбург: УрО РАН, 1996. - 408 с.

7. Гохфельд, Д.А. Несущая способность конструкций при повторных нагружениях / Д.А. Гохфельд, О.Ф. Чернявский. - М.: Машиностроение, 1979. - 263 с.

8. Безопасность России: правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты: анализ риска и проблем безопасности: в 4 ч. / Н.В. Абросимов, А.И. Агеев, В.В. Аладинский и др. - М.: Знание, 2006. - Ч.1. Основы анализа и регулирования безопасности. - 639 с.

Поступила в редакцию 1 марта 2012 г.

DEFORMATION PROPERTIES OF MATERIALS IN COMBINATION OF ALTERNATING PLASTIC FLOW AND RATCHETING

Yu.N. Rebyakov\ O.F. Cherniavsky*

A new test method for determining the mechanical properties of materials under low-cycle deformation with non-zero plastic strain range and strain increments per cycle. Basic laws for deformation properties and their changes due to the mutual influence of cyclic hardening and quasi-static strain hardening are established for several typical steels.

Keywords: cyclic inelastic deformation, strain accumulation, ratcheting, strain hardening.

References

1. Serensen S.V., Shnejjderovich R.M., Makhutov N.A. et al. Prochnost' pri malociklovom na-gruzhenii: Osnovy metodov raschetov i ispytanijj (Strength low-cycle loading: Basic methods of calculations and tests.). Moscow, Nauka, 1975. 288 p. (in Russ.).

2. Makhutov N.A. Konstrukcionnaja prochnost', resurs i tekhnogennaja bezopasnost'. Ch. 1. Kriterii prochnosti i resursa (Structural strength, resource and technogenic safety. Part 1. The criteria of strength and resource). Novosibirsk, Nauka, 2005. 493 p.; Ch. 2. Obosnovanie resursa i bezopasnosti (Part 2. Justification of resources and security). Novosibirsk, Nauka, 2005. 610 p. (in Russ.).

3. Mehnson S. Temperaturnye naprjazhenija i malociklovaja ustalost' (Thermal stress and low cycle fatigue). Moscow, Mashinostroenie, 1974. 344 p. (in Russ.).

4. Moskvitin V.V. Ciklicheskie nagruzhenija ehlementov konstrukcijj (Cyclic loading of structural elements). Moscow, Nauka, 1981. 344 p. (in Russ.).

5. Gokhfel'd D.A., Saadakov O.C. Plastichnost' i polzuchest' ehlementov konstrukcijj pri po-vtornykh nagruzhenijakh (Plasticity and creep of structural elements under repeated loadings). Moscow, Mashinostroenie, 1984. 256 p. (in Russ.).

6. Gokhfel'd D.A., Gecov L.B., Kononov K.M. et al. Mekhanicheskie svojjstva stalejj i splavov pri nestacionarnom nagruzhenii. Spravochnik (The mechanical properties of steels and alloys under unsteady loading. Directory). Ekaterinburg, UrO RAN, 1996. 408 p. (in Russ.).

7. Gokhfel'd D.A., Chernjavskijj O.F. Nesushhaja sposobnost' konstrukcijj pri povtornykh na-gruzhenijakh (Bearing capacity of structures under repeated loadings.). Moscow, Mashinostroenie, 1979. 263 p. (in Russ.).

8. Abrosimov N.V., Ageev A.I., Aladinskijj V.V. et al. Bezopasnost' Rossii: pravovye, soci-al'no-ehkonomicheskie i nauchno-tekhnicheskie aspekty: analiz riska i problem bezopasnosti. Ch.1. Osnovy analiza i regulirovanija bezopasnosti (Russia's security: legal, social, economic, scientific and technical aspects: risk analysis and security problems. Part 1. Fundamentals of Safety and Regulation). Moscow: Znanie, 2006. 639 p. (in Russ.).

1 Rebyakov Yuri Nicolaevich is Cand. Sc. (Engineering), Associate Professor, Applied Mechanics, Dynamics and Strength of Machines Department, South-Ural State University.

2 Cherniavsky Oleg Fedorovich is Dr. Sc. (Engineering), Professor, Applied Mechanics, Dynamics and Strength of Machines Department, South-Ural State University.