Влияние предварительного циклического пластического деформирования на трещиностойкость теплоустойчивых сталей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЧНОСТИ

На правах рукописи

ТОКАРЕВ Павел Васильевич

ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТКШЮГО ЦИКЛИЧЕСКОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДООРШРОВАНШ НА ТРЕЩЮСТОЙКОСТЬ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ

01.02:04 - Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев 1992

Работа выполнена в Институте проблем прочности АН Украины

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- доктор технических наук В.В.Покровский

доктор технических наук

A.А.Попов

кандидат технических наук

B.Н.Красико

Ведущая организация - Физико-механический институт

им.Г.В.Карпенко АН Украины

Защита состоитоя " И " ИЮНЯ_1992 г. в чаоов

на заседании специализированного совета Д 016.33.01 при Институте проблем прочности АН Украины в помещении конференц-зала (252014, Киов-14, ул.Тимирязевская, 2).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем прочнооти АН Украины.

Автореферат разослан & " ГШ 1992 г.

)

• Ученый секретарь

специализированного совета __ /

доктоо технических наук ' -Ф.Ф.Гигиняк

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные' тенденции развития энергетического оборудования характеризуются интенсивным ростом рабочих параметров при одновременном повышении к нему требований обеспечения надезхнссти. Поскольку в процессе изготовления, монтажа я эксплуатации этого оборудования невозможно исключить пластические деформации (вальцовка, гибка, сварка, аварийная перегрузка) конструкционного материала, а также наличие в этом материале конструктивных концентраторов напряжений п трещиноподобных дефектов, большое значение в решении задачи повышения надежности энергетического оборудования приобретает разработка и совершенствование методов прогнозирования его надежности с позиций механики разрушений.

Уровень разработки вопроса о влиянии предварительной пластической циклической деформации на трещиностойкость конструкционных материалов, в том числе используемых в энергомашиностроении (в частности, 15Х2МФА и 15ХЖФАА), в настоящее время недостаточен для прогнозирования надежности оборудования из этого материала с позиций механики разрушения: тлеются лишь разрозненные исследования, полностью отсутствуют работы по влиянию предварительной циклической деформации на пряпороговую скорость усталостной треш.щда, а тапке на характеристики вязкости разрушения при переходе от стабильного к нестабильному развитии трещшш; практически но изучено влияние предварительного' пластического дефорлировагаш на трещиностойкость конструкционных материалов, охруцченпкх в результате радиационного и теплового воздействия.

В света указанного выше, исследования влияния предварительного циклического пластического деформирования на трещиностойкость теплоустойчивых . сталей в исходном и охрулчснпотл состояниях являются весьма актуальны?.« как с практической» та:; л с научной точе:: зрэпяя.

Целью настоялей работы является комплексное псслодопаняе влияния предварительного циклического пластического дс^ормиротз-1юя на трещиностойкость стало;! 15Х2?.'?Л {в неходком - плостячнсч я охрупчешюм состояниях) п 1512ИШ, отличзг/пойсл от нерпой более яостшш ограначэшжп но прямосям. Кроме того, долю являлось объяснение этого влияния я разработка расчетко-экслорэтда?-тзльного подхода к прогнозированию влияния предварительного циклического пластического дефэрмироБзшга на соггротлплокло

разрушению.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

- разработка методики экспериментального исследования характеристик прочности при статическом и циклическом нагружениях, а также трещиностойкости с учетом предварительного циклического пластического деформирования и температуры испытаний;

- исследование изменения механических свойств после циклического пластического деформирования, закономерностей неупругого циклического деформирования и накопления усталостных повреждений в материале; оценка характера и величины рассеянной энергии неупругого деформирования для исследуемых материалов;

- исследование и объяснение влияния предварительного циклического пластического деформирования на характеристики сопротивления распространению усталостной трещины и вязкости разрушения при статическом и циклическом нагружениях;

- разработка раочетно-экспериментального подхода к прогнозированию влияния плаотического циклического деформирования на сопротивление хрупкому разрушению.

Научная новизна. Впервые оценено влияние предварительного пластического циклического деформирования на механические свойства и трещиностойкость стали 15Х2ЖА в исходном - пластичном (I) я охрупченном !Ш состояниях, а также стали 15Х2МФАА. Установленное влияние может быть объяснено интегральным воздействием деформационного упрочнения, остаточных напряжений и структурных изменений в материале.

Установлено, что для циклически разупрочняющихся сталей в условиях симметричного жесткого малоциклового нагружония суммарная энергия неупругого деформирования, с учетом изменения ее неопасной части, не зависит от числа циклов до зарождения трещины. Ранее данный критерий был обоснован только для области многоцикловой усталости.

На основе методики, защищенной авторским свидетельством (1562749 СССР, 601 & 3/32), установлена идентичность диаграмм усталостного разрушения в координатах "скорость роста усталост- ' ней тревдны (БУТ) - эффективный размах коэффициента интенсивности напряжений (КШ1)" для исходной к предварительно деформированной стали 15Х2ША(1) и (П); этл диаграммы позволили оценить изменение напряженно-деформированного ссстокния в вершине трепдайы

стали, из-за предварительной деформации.

Разработан расчетно-экспериментальный подход к прогнозированию влияния предварительной циклической пластической деформации на сопротивление хрупкому разрушению при статическом и циклическом нагружениях сталей, основанный на критерия локального хрупкого разрушения и учитывающий закономерности неупругого циклического деформирования (рзссеяние энергии неупругого циклического деформирования).

Практическая ценность результатов. Определены характеристики механических свойотв, неупругого циклического деформирования и трещиностойкости стали I5X2M5A. в исходном (I) и охрупчекком (П) состояниях с учетом предварительного циклического деформирования. ' Полученные результаты могут быть рекомендованы для использования в нормативных документах, регламентирующих методы расчетов на прочность и циклическую долговечность элементов конструкций энергомашиностроения.

Предложен расчетный метод прогнозирования изменения сопротивления хрупкому разрушении после предварительного циклического деформирования охрупчензюй стали I5X2ISA (П), удовлетворительно соответствующий экспериментальным дашшм.

Представленная работа выполнялась в рамках теш КП КТП 3.1.2.4 по проблеме "Усовершенствование оборудования реакторных ■ установок ВВЭР. Разработка систем! диагностики металла оборудования реакторных установок ВВЭР на 1986...2000 г.г.", темы ГКНТ СССР "Обосновать критерии предельного состояния материалов корпусов атомных реакторов при наличии трещин с учзтсм реальных условий их эксплуатации", теш НИР по заданию Президиума АН Украины "Исследование закономерностей хрупкого разрушения при циклическом нагружепии сталей и титановых сплавов с учетом сваргся я эксплуатациошшх факторов" ($ Госреглстрацгш 0I8500I5651).

Полученные результаты внедрена в прожпленяооть с годоши " экономическим эффектом 150тис.руб., что подтворггдэко соответст-вуюцпмп документами.

Апробация рзботя. Результата работа докладывались на Всесоюзно.! научно-технической конференция "Совершенствование тп.тшг-ческо": эксплуатации корпусов судов" {г.Ленинград, 1С-8Э), ХУТ я Х7П научно-технической конференции Ga/иС (г.Харьков, ICC-J, ,

тематическом секинарэ Института проблем прочности All (г.Киева, ISSI, I&22).

Структура и объем работы. Дисоертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 204 страницах, содержит 10 таблиц, 76 иллюстраций, 136 наименований литературы.

В первой главе с позиции механики разрушения анализируются литературные данные о влиянии предварительного деформирования на характеристики прочности и трещиностойкости'(на закономерности РУТ, хрупкую прочность и статическую вязкость разрушения) конструкционных материалов. Показана целесообразность дальнейших экспериментальных и теоретических исследований при разработке вопроса о влиянии предварительного циклического деформирования на характеристики трещиностойкости теплоустойчивых сталей 15Х2ГЛМ и 15Х2ШМ.

Во второй главэ приведены методики исследования статической и циклической прочности, характеристик неупрутостя, влияния предварительного циклического деформирования на трещиностойкость в диапазоне температур 77...623 К.

Описаны впервые примененные в практике исследования трещиностойкости, способы определения раскрытия в вершине трещины и учета влияния предварительного деформирования на трещиностойкость образцов с конструктивным концентратором.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния предварительного циклического пластического деформирования, температуры, содержания элементных примесей на механические свойства, циклическую прочность и закономерности неупругого циклического деформирования теплоустойчивых сталей 15Х2МФАА и 15Х2МФА. в исходном (I) и охрупченном (П) состояниях. Также приведены результаты металлографического исследования повреждений от циклического пластического деформирования.

3 четвертой главе праведен детальный анализ результатов влияния предварительного циклического пластического деформирования, асимметрии цикла нагрузки, температуры, содержания элементных примесей на скорость РУТ в исследуемых теплоустойчивых сталях. Приведены результаты комплексного исследования характеристик вязкости разрушения при статическом и циклическом нагружениях с учетом ряда факторов: предварительного циклического пластического деформирования, температуры, содержания элементных примесей. Пред-лонон расчетно-эксдергыентальний метод прогнозирования влияния пред верительного циклического пластического деформирования на сопротив-

юнио хрупкому разрушению при статическом и циклическом нагруле-шях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В качество предмета настоящего исследования были сталь [5Х2МФА в исходном - пластичном (I) и в охрупченном состояниях (П), а такяе сталь I5X2MMA. Последняя, в отличие от первой по звоому химическому- составу имеет более ;;:есткие ограничения по зодеряанию отдельных элементов ( Р , S , Cil , ML к др.). Охруп-чвннод состояние стали, шнтирущео радиационное воздействие, постигалось .специальной термообработкой.

Все испытания гю данной работе выполнены на серзогядравлп-ческой установке "Гидропульс 400 кН" (фирма "Шенк", ФРГ) с использованием мини-ЭВМ. Нагрев и охлаждение образцов при испытаниях о различии,1щ температурами осуществлялось специальной электропечь» (293...623 К) и контактными азотными охладителями (77...293 К).

Металлографический анализ микроструктуры исследуема сталей, выполняли на микроскопах " Heophot-1 « (гдр) и "PoEyvay-Met" (фирма ""ReycheH .", Австрия).

Характеристики статической п циклической прочности, а такжо неупругого циклического деформирования, определяли на цилиндрических образцах диаметром рабочей части 8 и 10 км, В процессе испытаний на мадс-дадовую усталость производилась пориодячесии запись и обработка с помощью мини- ЭВМ параметров петли мехони- ' • ческого гистерезиса за цикл нагружения.

Характеристики статической, циклической и динамической трэ-щиностойкости определяли по стандартны:! методикам (ГОСТ 25.50S--65, РД 50-345-82) на компактных образцах толщиной 12,3 и 25 vir,, а такка на пластинах толщиной 12,5 и 14 мл при температурах 123... ...623 К, Характеристики циклической л дшьт/чческой троп\'лпостой~ кости определялись при частоте нагрухекия 25 Гц с ас'плт.тотряей цикла нагрузки ОД. В процессе сцепки указанное вьчм характеристик осупествлялась запись раскрытия в вориишс трощянч с помощью выносного тензсмэтра (A.c. IGI03S0. СССР, 601 И 3/32).

Предварительное циклическое плпстичаскоа депортирования проводили па цалшщрпчвсхих образцах диаметром 10 ш и .на пластинах с рабочим сеченном 12,5x45 та (сталь 15Х£М*А(1)) с; I4x2i мм (сталь 15Х2?.!1>Л(П))пра контролируемой амплитуде упругоялаотачео-кой деформации - S а • Циклической нагру:г.енио осуществляюсь па трех урсвяях а?.змлтуда доформагепт ta- 0,3; 0,-15 и 0,7£ с

относительными наработками К = = 0,3; 0,6 и 0,85 (где

Jvfjr - число циклов до зароздония трещшш длиной 0,5 мл). Остановка вдклирования производилась в цикле сжатия.

Предварительную циклическую пластическую деформацию стали 15Х2МФА(1) и 15Х2МФАШ) осуществляли прл 293 К. Для корректной оценки характеристик тренугаостойкости (выполнение условия плоской деформации) 'сталь в состоянии (I) испытывали при 123 К, а в состоянии (П) - при 293 К.

На первом этапе настоящей работы была установлена зависимость механических характеристик (пределов прочности и текучести бе » бог. » относительных удлинения и сужения -5,4' ) исследуемых сталей от температуры в диапазоне от 77 до 623 К. Эти характеристики сведены в таблицу, приведенную нижа.

Таблица

т,к ÖB МПа (5 0,0. Ша 5> % %

I« 2й 3й I о 3 i О Kt 3 I 2 3

293 700 1045 650 584 950 554 21 16,6 19,9 74,6 67,2 77,4

373 - II0S - - 1040 - - 15,7 - 65,8 -

473 - 1016 - - 956 - - 15,6 - - 67,4 -

623 545 870 - 511 880 - 14,7 15,2 - - 70,3 65,2 -

243 752 . - 71,В 647 - 616 20,4 - 21 74,2 - 75,1

213 783 - - 674 - - 23 - - 72,8 - -

183 805 1250 761 696 1160 689- 24,1 14,2 22,4 72,1 54 60,4

123 - - 526 - - 923 - - 18,2 - - 54,6

77 III5 1590 - КИТ 1440 - 18,6 3,1 - 31,1 2,9 -

}:"Т - 15Х2Ц?А(1); 2 - 15Х2ММШ); 3 - 15Х2ША._

Кроме этого, было исследовано влияние предварительного пластического циклического деформирования на механические характеристики стали 15Х2ЬЙ?А в состояниях (I) и (П) при температуре 293 1С, а стали 1ЬХ2Ш>Л(1) ещэ и при температуре 123 К. В результате установлено, что наиболее чувствительной характеристикой к этому дофорларовзнага является б5о.5.< Предол текучести стали 15Х2Ы£Л(П) укэ после предварительно:! относительной циклической наработки

0,1 с амплитудами деформации 6а ~ 0,3; 0,45; 0снижается нэ 15/С, а предел текучести стали 15Х21.;М(1) при тех ко ус-довилх на 25;", При наработке Я> 0,1 (сталь 15Х;1\;ФЛ(П)) и М~> 0,3 (сталь 15Х-2.МЛШ)) значение (Зо,1?- для обоих стало!

но изменяется вплоть до появления трещины. Такое яо сншг.ониэ предела текучести (255?) внявлепо при температуре 123 К у стали 15Х2МФА(1) после предварительного циклического деформирования с указанными вншо параметрами.

Испитания стали 15Х2ММ в исходном (I) и охрупчснном (П) состояниях на малоцякловую усталость (база испиташШ К^-З'К/* циклов) при жестком симметричном нагрукегапгпоказали, что сталь 15X21,1ФА(1) обладает больший сопротивлением усталости по сравнению с этой ка сталью в охрупченном состоявши - ХбХа.И'Л-СП).

При проведении усталостных испытаний указанно!! шшо стали фиксировалась ширина петли 5 механического гистерезиса за цпгл нагружения. В результате этого установлено, что ширина петли почти во всем исследованном диапазоне циклического дефорг-тирования, кроме 0,5$ для стали 15Х2ЫФА(П), возрастала с увеличением

числа циклов нагрукения для стали 15Х2"ФА в исходном и охрупченном состояниях. Рост § в процессе циклического деформирования исследованной стали свидетельствует о ее разупрочнении.

На основании параметров петли механического гистерезиса С б(Т,о*,бгп1п , £т«х >Сть » яр.) стали 15Х2МФЛ(Г) и (Ю построеш диаграммы циклического депортирования этой стали. Сопоставление этих днагрз'-* с диаграммами статического деформлро-вания подтверждает, что исследуемая сталь в обоих состояниях является циклически разупрочнящейся.

Используя перечисленные лыиэ параметру ыотлп механического гпотерезиса стали 15Х2ЖШ) п (П) были определит значения энергетических параметров(А к' , VI и ) усталостного разрушения ЭТОЙ СТаДИ В ИСХОДООМ V, ОХруНЧОШЮМ СОСТОЯНИЯХ,

Критическая суммарная энергия иоуяругого механического гистерезиса, с учетом изменения неопасной энергии, определялась но Формуле В,Т.Трот.онг.о:

ГТ70 УЛ0.1К!ЗЯ иоулругая гаоргяя за цзкл при ампдптудо

кааря;:сшя, рано* лр-далу усталости; " УДОаыгая поупругая

плоргля л I -м цнгле.

Параметр сС л формуле (I) определяет лктстгсябяос*» кярлс-

тапля псопаско.1 чзстл зткзрггз с удОД:ГГГЖ!СП т^сда илъ'оз пзгру-г.еаля до-рззгулгппя.

Грзфжя зазпспмоста эг.орготлчссг.-тх кразортоп о? числа пик-

Рис. I. Зависимость энергетических параметров усталостного разрушения стали 15Х2ММ(1) - а и 15Х2ЙОАШ) - б от числа циклов нагружэния до заровденшг трещины.

лов нагружения для стали 15Х2М5А(1) и (П) представлены на ряс. I. Из этих графиков видно, что для обеих сталей энергия малоциклового усталостного .разрушения \\/ц с учетом изменения неопасной . энергии инвариантна относительно числа циклов до зароддеиия трещины . Ранез в работах В.Т.Трощенко такая закономерность была обоснована для широкого спектра сталей только в многоцикловой области нагруяения.

Для оценки степени накопления усталостных поврездений при предварительном пластическом циклическом деформировании был выполнен сравнительный металлографический анализ исследуемой стали 15Х2?йА(1) и (Ю в исходном состоянии и после различных уровней предварительного циклического деформирования. В результате этого анализа установлена зависимость средней длины микротрещин и расстояния ме.7ду ними от степени циклического пластического деформирс вания -с' ростом амплитуды деформации и относительной циклической наработки увеличивается длина микротрещн и уменьшается расстояние цезду ними. При этом_в стали 15Х2Ш>А(1) при максимальной относительной наработке ( > 0,6) происходит интенсивное форгязро-ванио регулярной деформационной субструктуры.

Исследования скорости РУТ сталей 15Х2?ЛЗА(1) и 15X2!,ЕМ при температуре 29о и 623 К я асыллетрии цикла 0,1 и 0,75 показали, что повцаеаде тетлператури практически не- влияет на скорость РУТ нз срэдкегмпдптудном участке кинетической диаграммы усталостного разруаения (ВДДО- Однако, г прлиорогозой области, в тех ко условию: происходит увеличение скорости ВГТ и уменьшение порогового коэффициента «нтеясилностя напр-кэщш (¡СП!) - . Пра

представлении КДУР в координатах^ДЫг}{(шкуволиченио асимметрии цикла от 0,1 до 0,75 вызывает снижение скорости РУТ и повышение ее чувствительности к изменению температуры.

Скорости РУТ сталей 15Х2'.@А и 15Х2М±>АА, отличающихся содержанием элементных примесей, на среднеамплктудном участке практически совпадают. На припороговом участке КДГР скорость РУТ в стали 15X2®АЛ меньше, а пороговый КИК К^'п больше, чем в стали 15ШШ(1).

Рис. 2. 1ду? стала 15ХЖ2А(^) (а,б) а 15Х2ЫМШ) Лз.г) после циклической лрздаарктелыюй наработки - при различной амплитуде деформации - £а

На рис. 2 приведена КДУР при 293 К ясследуе?.?нх стало!! при различных ютпчинзх предварительной щпсляческо!: д-эфорицип^ - 0-0,7,») и относительной наработки ( К = 0-0,85). Устз.тенлоно, что циклическое пластическое депортирование сталей 1512М'1>Л(1) и 15Х21ЙА(П) приводит и синению скорости РУТ этих сталей в 4 раза на сседпеаглшштуднсм участке, а тагае в прппорогоьой области КД7Р при халой относительной цгадической наработке ( ]Г ~ 0,3) на гсах уровнях деформации ( 6а - О,3-О,7;з). Однако, в той • . пртаарогозоЗ облаем КДУ? после относительной предварите.-.::';/

циклической наработки Д = 0,85 скорость РУТ возрастает.

В процессе испытаний на циклическую трещиностойкость на разных уровнях скорости РУТ производили запись раскрытия в вершине трещины. Били построены диаграммы "скорость РУТ - эффективный размах КИН ( )" для исследованных сталей (рис. 3).

40

Г

■о1

(О

+ -1

д-з

О-С Г

е-7

^ / т.

п г*

/

4 5 6 7 ОНО

а

¿о

1'ис. 3. Зависимость скорости РУТ от йКеМ стал;! 15Х2Г.1ФА (I) —а и 15Х2№М(П) - б после предварительной циклической наработки. _

I - Во. = 0%, N = 0: 2 - 0,355, 0,31 3 - 0,3?>, 0.85: 4 - 0,45?,0,3; 5 - 0,7$, 0,3; 6 - 0,7^,0,6; 7 - 0,7^,0,85.

Установлено, что для ка^цод стали, независимо от степени предварительного деформирования, существует единая зависимость скорости Р7Т от КШ1 -

На рис. 4 приведены зависимости КШ 1'\.ор от-уровня КИП дал сталей 15Х2Г.:Щ1) и 15Х2ШАШ) после предварительного циклического деформирования и в исходном состоянии. Полученные результаты свидетельствуют о наличии расхоздония значения-

ми КИН предварительно дефоргдфованной стали^и стали в

исходно?.! состоянии. Максимальное увеличите КШ [\ор . наблюдается поело циклирования с 0,7%. При моныонх уровнях амн-лктудя деформации ( - 0,3 и 0,45$) увеличение 1321 Кор по сравнении с исходит глатераалом но столь сукуствошю.

В^явлошше закономерности но влияния прздаарлтельного циклического доТ;ор:.проваштя на скорость РУТ связаны, в общем слу-тао, с яомзкоцае:.: калэпических свойств материала (разупрочнение) Е появлением остаточных напряжений. Ранее Сило установлено еня-г.ениа продола токучаета, следствием чего является рост пласта-паЪ^ст ъсиа Уу перед взраяиой троцчпы. Г.злкчпнз' пластической

КолМПайй

лК.ига^

ю 5

ю

ю

Рпо. 4. Зависимость КШ Кср от 1ШЫ стали 15Х2ША(1) -(о) л 15Х2ММШ) -<б) после продвзрительной циклической

наработки

О: 2 - 0,3?;0,3; 3 - 0Х33;0,85;

i - 6а = у/о, v! = и} У,о/а,и,V*» V -

4 - 0,453, 6,3; 5 - 6,7*. 0,3; 6 - 0,7*, 0,6;

7 - 0,7%, 0,85. й

зоны обратно пропорциональна ¿012.

Расчетный размер пластической зош перед вершиной трещины после предварительной пластической депортация с 8а. = 0 »7$ и й> 0,3, с учетом снижения возрастает для стали 15Х2Ш.

(I) в 1,95, а для стали 15Х2Ш>Л(П) 1,4 раса. Причем, если оудить по незначительному отличто спи.-.онлл £>0,?, поело деформации при Ва - 0,3.1 и 0,45/',л . при Ьх= 0,7.«, то глокно считать размер пластической зош во всех случаях предварительного деформяровашш одинаковим.

При практически одинаковом размера пластической зошг в вер-шло трсщшш свой вклад в изменение скорости РУТ сносят остаточные напряжения. Это видно из графиков на рис. 4: при £а= 0,7,1 и Я>0,6 (кривые 6 и 7) остаточшю иапряглешт слагая достигают своего максимума. При этом надо учесть, что остановка предварительного циклического депортирования происходила в циклах сжатия.

В припороговой области для циклически деформированной стали 15Х2МФАШ и 15Х2МФАШ) снижение скорости РУТ на начальной стадии деформирования ( = 0,3) вызвано, как и для среднеамплитудного участка КДУР, снижением С?ц2,и влиянием остаточных напряжений сжатия. При увеличении циклической наработки (0,3) с накоплением циклических повреждений (пэр и мякротрещин) прлпороговая скорость РУТ увеличивается. ^

Исследования характеристик статической ( Кхс ( Ка° 5 > циклической. ( К}с ) и динамической ( К}с ) вязкости разрушения сталей 15Х2МФЛ(1) к 15Х21ЖА при 123...623,1С показали, что при температурах 123...243 К данные . характеристики увеличиваются, а при 243...623 К ош, практически не изменяются. При 123 К значение ■1(к У стали 15Х2ЖАА пике чем у стали 15Х2М<5А(1). Увеличение температуры до 623 К приводит к тому, что значение Дгс ( ) у стали 15Х21.ШЛ несколько выше чем у стали 15Х2М<М(1). Показан качественно аналогичный характер изменения деформацкошпсс параметров разрушения (раскрытия в вершке тревдны) от температуры по отношению к силовым.

Установлено, что предварительное циклическое пластическое дсформирование сталей 15Х2Ж>л(1) и 15Х2ША(П) неоднозначно влияет на хаоактэвдетаки сопротивления хрупкому разрушению ( Кхс^ Кс );

к]с ; щс ).

Па рис. 5 представлены зависимости перечисленных выше характеристик от относительной циклической наработки - N и накопленной энергия иоупругого доформиролания - V/ •

Из графиков на рис. 5 видно, что для стали 15Х2МФА(1) при относительней наработке К = 0,3 увеличение £а= 0,3$ до 0,7% еншкэзт значение Кю » а при наработке Я = 0,85 увеличение приводит к росту значения Кгс(К^). Хдд-стали 15Х2!,К>лШ) наблюдается обратный характер влияния предварительного циклического де-на сопротиаюшнэ хрупкому разрушению. Для объяснения призадсмиых из кю. 5 розучьтатоа, исдользуек зависимость Хана ц Розонфедъда

рзесматрлиэомого сличая необходимо участь илиянпе уста-лозтлых 'юнгах^'.емат,л.р:'але (кикрот^оцдаи, изменение субструктуры) вследствие предварительного циклического дофармпроса:

Рио. 5. Экспериментальные (сплошные линии) и расчетные (штриховые линии), зависимости критического КИП 1цс (1-3) .КЛ (4-6) и Кгс( Кс) (7-9) стали 15Х2Г,!ФА(1) при 123 1С - а я 15Х2Гт(П) _при 295 К - б от относительной циклической наработки - К и накоплегшой энергии неупрутой деформации -V . _ ' „ 1,4,7 - £а= 0,3$; 2,5,8 - 0,45?»; З',6,9 - 0,7^ „

На рио. 6 приведены графики зависимости К1с(Кс)>К|с,»]\К стал!? 15Х2'ФЛ(1) от среднего расстояния меиду микротрещинами, а та1сю относительного расчетного размера пластической зоны Из графика видно, что для случая, когда размер пластической зоны Уу меньше расстояния мевду микротрэщинами \Г ( 1) происходит снижение характеристик сопротивления хрупкому разрушению. Для случая происходит рост КгсСКс).

При хрупком разрушении стали 15Х2МФА(П) размер пластической зоны ¡/у во всех случаях но больше расстояния мезду микротрещинами.

Спигсешю значения Кц» при наработке М = 0,3 стали 15Х2МФА(1) вызвано проваллровапнсм уменьшения Оси (за счет микротрещин)_над снижением С) од • Увеличсшю 1{хсс ростом наработки ( М> 0,3) объясняется за счзт роста С>ск > чт0 явилось следствием формирования регулярной деформационной субструктуры на этом уровне циклической наработки. Бпачеште . (30,2. па этом уровно циклической наработки не мелется.

Для стали 15Х2!.'5А(П) увеличение сопротивлешш хрупкому раз-

Рис. 6. Зависимость Йс . Й й Кю№ стали 15Х2М<ЗД(1) при 123 К от f Са) и Vy/^ (б) (осталыше обозначения точек те та, что на рис. 5). рушению при Я = 0,3 связано с эффектом Баушпгера^При относительной наработке jí> 0,3 снижение K¡c , Kjc . Kjc СТ£Ш! 15Х2ША.Ш) можно объяснить только снижением оск за счет накопления значительных усталостных повреждений в материале.

lía основе полученных экспериментальных данных и проведенного выше анализа результатов, предложен расчетно-экспериментальный подход к прогнозированию влияния предварительного циклического погружения на сопротивление хрупкому разрушению. В частности, для стали 15Х2М'М.Ш) зависимость вязкости разрушения Kjc от предварительного циклического погружения описывается уравнением:

где Кхс- вязкость разрушения исходного материала; бек - пап ряжение скола исходного материала; Ó¿¿ - циклический предел.^ текучести, зависящий от числа циклов нагрупения; ~ коэффи-

циент циклического охрупчлрэння, определяемый из эксперимента и в зависящий от амплитуды упругопласткческоГг деформации.

Сравнение расчета по формуле (3) и эколврямени» прадставлэ-но на рпс. 5. Оно свидетельствует о хорошей корреляции получэших результатов. По аналогии с уравнением (3) г.о-ет бить спрогнозирована динамическая вязкость рзруаания уятэриапа после предварительного ^iKSr-tue'í^ro дарорг/:-:т^1ваш!я.

Таким образом, предварительная упругопластическая деформация на стадии до зарождения трещшщ существенно влияет на характеристики сопротивления хрупкому разрушению при статическом и циклическом нагрушэниях. Это необходимо учитывать при расчетах долговечности энергомашиностроительных конструкций по критериям хрупкого разрушения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны и внедрены в практику специальные методики исследования:

- прочности при статическом и циклическом нагружениях, характеристик неупругого циклического деформирования сталей в диапазоне температур 77...623 К; '

- влияния предварительного циклического пластического деформирования (жесткого симметричного циклического нагружеиия) на тре-щпностойкость корпусных теплоустойчивых сталей в диапазоне температур 123...623 К;

- определения раскрытия в вершине трещины при статическом и циклическом нагруяешш металлов (а,с. I,' 1610390);

- влияния предварительного нагружения на трещикостойкость образцов с конструктивным концентратором (а.с. И 1562749).

2. Впервые установлено, что для циклически разупрочняодихся сталей суммарная энергия неупругого циклического деформирования, с учетом изменения неопасной части энергии, не зависит от числа' циклов нагруяения до зарождения трещины при малоцшсловой усталости.

3. Показано, что предварительное циклическое пластическое деформирование стали 15Х2.МФА(1) и (П). вызывает сникение скорости ' РУТ па среднеамплитудном участке КДУР. Особенно существенно снижение (п 3-5 раз) при <5а= 0,7%. Послодноо объясняется деформационным упрочнением л остаточными напряжениями сжатия в материале, возникающими после предварительного деформирования.

В припороговой области КДУР продварлтелыюэ циклическое пластическое дофор,шропанкэ (при ^ > 0,3) этой стали приводит к уволичешта скоростл РУТ, из-за появления в ней структурных поврея-деапй (юткротрещия, пор).

4. Установлена ишзариантность диаграмм усталостного разрушения в координатах "скорость роста усталостной трещины (РУТ) -эффективный коэффициента интенсивности напряжений (КШ)" чля исходи«;;? а предварительно деформированной стали 15Ш.!ФА(1) я [II). Следовательно,1 для объяснения влияния предварительной

циклической пластической деформации на скорость БУТ стали в состояниях (I) и (П) достаточно учесть изменение напрякенко-дефор-шрованного состояния в области вершины трещины.

5. Сопротивление хрупкому разрушению при статическом и циклическом нагружеши теплоустойчивой стали 15Х2ЬМ в исходном -пластичном . и охрупченном состояниях неоднозначно зависит от предварительной циклической наработки с иеупругой деформацией. При минимальной предварительной наработке ( FT = 0,3) стали в плас тичном состоянии наблюдается снижение сопротивления хрупкому разрушению, а при ]\Г> 0,3 - рост. Для охрупчонной стали эта зависимость обратная.

Различная зависимость сопротивления хрупкому разрушению стали в пластичном и охрупченном состояниях обусловлена деформационным упрочнением и различием в характера формирования их микро структуры (микротрещин, пор, фрагментация зерен).

6. Предложен расчетно-эксперименталышй подход к прогнозированию влияния предварительной циклической деформации на сопротивление хрупкому разрушению при статическом и циклическом нагруне-Ю1ях сталей, основанный на критерии локального разрушения (напряжение скола) и учитывающий закономерности накопления усталостных повреждений в материале (суммарную энергию ноупругого циклического деформирования). Указанный подход позволяет рассчитать зависимость вязкости разрушения стали от температуры и числа циклов предварительного деформирования.

7. Сравнительные исследования трециностойкостк оталей 15ХЖФАШ и 15Х2МФАА, огличашщхся содержанием элементных примесей, показали, что последняя сталь имеет более низкую припорого-вую скорость РУТ и более высокие характеристики статической вязкости разрушения в диапазоне эксплуатационных температур (до 623 К).

Осшвннз результаты диссертации опубликованы в работах:

1. A.c. 1552749 СССР, GOI J5 3/32: Способ испытания материала на трецяностойкость / Трощенко В.Т., Яснии П.В., Покровский В.В. Тохаров П.В. //Открытия. Изобретения - I9SI - J.' 17. - С. 211.

2. A.c. I6I0390 СССР, G0I 3/32: Способ определения трещино-стойкостн материала /Трощенко В.Т., Ясний П.В., Покровский В.В Токарев П.В. //'Открытая. Изобретения - 1991. - JS 44. - С. 199.

3. Влияние предварительной циклической пластической деформации на трзциностойкостъ. Сооб'Л. I. Сопротивление хрупкому разру-

шешго /В.Т.Трощенко, П.Б.Ясний, В.В.Покровский, П.В.Токарев и др. // Пробл.прочности. - 1989. - № II. - С.13-20.

4. Влияние температуры испытаний на трещиностойкость корпусной стали с различным содержанием примесей /В.В.Покровский, П.В.Токарев и др. //Пробл.прочности. - 1988. - ¡Ь I . - С.11-16.

5. Прогнозирование влияния предварительной циклической наработки на сопротивление хрупкому разрушению /В.Т.Трощенко, П.В.Ясний, В.В.Покровский, П.В.Токарев // Совершенствование технологической эксплуатации корпусов сосудов. - Л.Судостроение,

1989. - С. 186.

6. Токарев П.В. Влияние предварительной циклической пластической деформации на характеристики трещииостойкости //ХУЛ Научно-техническая конференция СМУиС /Харьков' - октябрь, 1990 г./:Тез. докл. - Харьков: ИПМ АН Украины. - С. 36.

7. Циклическая прочность, закономерности неупругого деформирования и зарождения микротрещин в стали 15Х2МФА /В.Т.Трощенко, В.В.Покровский, П.В.Токарев и др. /Л1робл.прочности. - 1992.

( в печати )

Подл, к печ. 30.^.92. Формат 60x84/16.

Бутл. офс. аре. печ. Усл.леч.л. 0,93 Усл. кр.-отт. 1,12.

Уч.-изд.л. 1,0. Тирзя 100 экз. Заказ Д/у . Бесплатно.

Участок печати ОПТИ 1ШП АН Украины

251514 , ,7л. Тимирязев екая, 2.