Міністерство освіти і науки України

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

Гуцайлюк

Володимир Богданович

УДК 620.178.3

ВПЛИВ ПОПЕРЕДНЬОГО ЦИКЛІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА ОПІР КРИХКОМУ РУЙНУВАННЮ ТЕПЛОСТІЙКОЇ СТАЛІ

Спеціальність: 01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль - 2001Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор ЯСНІЙ Петро Володимирович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, завідувач кафедри матеріалознавства, м. Тернопіль.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, ЧАУСОВ Микола Георгійович, провідний науковий співробітник відділу статичної міцності і пластичності конструкційних матеріалів Інституту проблем міцності НАН України, м. Київ.

доктор технічних наук, КОГУТ Микола Степанович, Львівський аграрний університет, завідувач кафедри технології металів, м. Дубляни.

Провідна установа - Фізико-механічний інститут імені Г.В.Карпенка НАН України , відділ фізичних основ руйнування та міцності матеріалів, м. Львів.

Захист відбудеться 22 листопада 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.01 в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий 20 жовтня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Шелестовський Б.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Упродовж експлуатації найбільш відповідальні високонавантажені елементи конструкцій (корпуси енергетичних та хімічних реакторів, турбіни, паропроводи, магістральні трубопроводи, посудини високого тиску) поряд із довготривалими статичними навантаженнями піддаються дії циклічного навантажування як на етапі до зародження тріщини, так і в процесі її поширення. Це може приводити до істотної зміни характеристик в'язкості руйнування матеріалів. На основі аналізу даних приведених у літературі, відомо, що попереднє циклічне пружнопластичне навантаження може збільшувати, зменшувати або не впливати на опір крихкому руйнуванню матеріалів порівняно із первісним станом.

Вплив попереднього циклічного пружнопластичного деформування на опір крихкому руйнуванню досліджували В.С.Іванова, М.А. Махутов, В.В. Панасюк, В.Т. Трощенко, В.В. Покровський, П.В. Ясній, Б.З. Марголін, Г.М. Никифорчин, Roman I., Ono Kanji, Sukedai E., Hida M., Tetelman A.та ін.

Підходи до прогнозування впливу попереднього циклічного деформування на в'язкість руйнування запропоновано у працях О.М. Романіва, В.Т. Трощенка, Б.З. Марголіна.

Відомо, що умови навантажування при вирощуванні втомної тріщини істотно впливають на статичну тріщинотривкість. Тому у нормативних документах, регламентуються умови вирощування тріщини при таких випробуваннях.

Проте як показано у працях В.Т. Трощенка і П.В. Яснія для циклічно знеміцнювальних матеріалів циклічна вўязкість руйнування для яких менша за статичну, попереднє циклічне навантаження істотно впливає на вўязкість руйнування навіть за умови дотримання вимог нормуючих документів, що повўязано з нерегулярним ростом тріщини— чергуванням інкубаційних ділянок з ділянками неперервного поширення тріщини. У працях вказаних авторів на основі модельних уявлень якісно обґрунтована і експериментально підтверджена гіпотеза щодо впливу історії навантаження на вўязкість руйнування. Однак відсутні підходи, які дозволяють кількісно описати вплив попереднього циклічного навантаження на опір крихкому руйнуванню з урахуванням нерегулярного росту тріщини.

Перспективним напрямком у цьому плані є використання локальних критеріїв руйнування, зокрема напруження сколювання. Це потребує подальшого дослідження і узагальнення впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на напруження сколювання.

Є обмежена кількість моделей які використовуються для оцінки опору крихкому руйнуванню матеріалів з тріщинами при циклічному навантаженні.

Недоліком їх є те, що для розрахунку за цими моделями необхідно проведення прямих експериментів для визначення необхідних параметрів. Тому актуальним є розвиток фізично обґрунтованих підходів до прогнозування впливу попереднього циклічного деформування на тріщиностійкість матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, які cклали основу дисертації, отримані здобувачем, як виконавцем держбюджетної теми "Розробка методу підвищення несучої здатності елементів конструкцій шляхом попереднього комбінованого навантаження" (№ держреєстрації 0197U004547), яка виконувалася в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя упродовж 1997-2000 років згідно тематичних планів НДР Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методик прогнозування впливу попереднього циклічного навантаження на опір крихкому руйнуванню теплостійкої сталі на основі локального критерію руйнування.

Для досягнення вказаної мети у роботі вирішуються наступні задачі:

·

· виявити основні закономірності впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на напруження сколювання теплостійкої сталі;

· дослідити вплив попереднього циклічного пружнопластичного деформування на статичну тріщиностійкість теплостійкої сталі;

· виявити звўязок між мікромеханізмами деформування та руйнування попередньо циклічно пружнопластично деформованої теплостійкої сталі та напруженням сколювання;

· вдосконалити модель крихкого руйнування тіла з тріщиною із врахуванням впливу попереднього циклічного деформування матеріалу у вершині тріщини на етапі її поширення;

· розробити методику прогнозування статичної тріщиностійкості теплотривких сталей з урахуванням впливу параметрів навантажування на етапі поширення тріщини.

Об'єкт дослідження - статична тріщиностійкість теплотривких сталей.

Предмет дослідження - статична тріщиностійкість з урахуванням впливу попереднього циклічного навантаження .

Методи дослідження - теоретичні дослідження проводились з використанням методів механіки деформівного твердого тіла та положень лінійної механіки руйнування.

Експериментальні дослідження деформаційних і енергетичних критеріїв втомного руйнування та перевірку теоретичних положень моделі руйнування тіла з тріщиною з врахуванням впливу попереднього циклічного навантаження реалізовували з використанням методик випробувань, що базуються на методі тензометріїї. Експериментальна частина досліджень реалізована на сучасному випробувальному обладнанні, керування яким здійснювалось за допомогою ПК, що дало змогу отримати достатню точність і достовірність результатів експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:—

виявлено основні закономірності впливу параметрів попереднього циклічного пружнопластичного деформування на характеристики механічних властивостей, критерії локального руйнування та напруження сколювання теплостійких сталей. Встановлено, що попереднє циклічне пружнопластичне деформування при контрольованій амплітуді деформації зменшує напруження сколювання sСК. Залежність sСК від параметра Одквіста c є інваріантною до амплітуди пружнопластичної деформації та кількості циклів навантажування;—

встановлено, що характер впливу попередньої пластичної деформації на напруження сколювання сталей з різними механічними властивостями визначається різним впливом попередньої пластичної деформації на мікромеханізми руйнування. Циклічне пружнопластичне деформування змінює співвідношення між складовими змішаного механізму руйнування: зменшується частка внутрішньозернового руйнування, що переважає у недеформованому стані та зростає частка міжзернового руйнування у пластично деформованому матеріалі;—

запропоновано методику прогнозування впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на опір крихкому руйнуванню, яка ґрунтується на аналізі закономірностей циклічного деформування і виявленій залежності напруження сколювання sск від параметрів попереднього навантаження;—

удосконалено модель руйнування тіла з тріщиною при статичному навантаженні з урахуванням впливу попереднього циклічного навантаження на етапі поширення втомної тріщини.—

запропоновано методику прогнозування впливу попереднього циклічного навантажування (амплітуди і кількості циклів) на опір крихкому руйнуванню теплотривких сталей, яка ґрунтується на виявленій залежності напруження сколювання sск від параметрів попереднього навантаження;

Практичне значення одержаних результатів.

Запропоновані методики прогнозування впливу історії навантажування на опір крихкому руйнуванню теплотривких сталей можуть бути використані при розрахунках елементів конструкцій, які працюють в умовах циклічного навантаження.

Отриманий ефект впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на напруження сколювання при прикладенні може бути використаний для підвищення достовірності розрахунку утримувальної здатності і довговічності елементів конструкцій з тріщинами.

Результати дисертаційної роботи в частині методики дослідження і прогнозування впливу попереднього циклічного навантаження (амплітуди і кількості циклів) на опір крихкому руйнуванню використовуються у відділі втоми і термовтоми матеріалів Інституту проблем міцності НАН України для оцінки утримувальної здатності і довговічності елементів конструкцій з тріщинами.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. В публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить:

·

· виявлення основних закономірностей впливу параметрів попереднього циклічного пружнопластичного деформування на механічні характеристики матеріалу;

· розробка методики дослідження закономірностей циклічного пружнопластичного деформування;

· виявлення основних закономірностей впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на в'язкість руйнування теплостійкої сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) на компактних зразках товщиною 14 мм;

· порівняльний макро— і мікроаналіз результатів фрактографічних досліджень зламів, виявлення мікромеханізмів руйнування сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) в умовах попереднього циклічного пружнопластичного деформування та їх впливу на напруження сколювання;

· розробка методики прогнозування впливу попереднього циклічного навантаження на етапі поширення тріщини на статичну тріщиностійкість сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) .

Постановку задач, аналіз та трактування результатів, формулювання наукових висновків та рекомендацій проведено спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на III — V науково-технічних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя "Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні" (Тернопіль, 1998—2001), другій міжнародній конференції "Механика и физика разрушения строительных материалов и конструкций" (Львів, 1998, 2000), Міжнародній конференції "Proceedings the Eighth International Conference on the Mechanical Bechaviour of Materials ICM8" (Victoria.B.C. Canada), на наукових тематичних семінарах в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя (Тернопіль, 1998-2001) та Фізико-механічному інституті імені Г.В.Карпенка НАН України (м. Львів).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 10 друкованих працях. З них — 4 статті у фахових наукових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 130 сторінок, в т.ч. 35 рисунків, 6 таблиць та список використаних джерел із 220 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначена мета роботи та основні напрямки її досягнення, показані наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано відомі теоретичні та експериментальні дослідження напружено-деформованого стану матеріалів за статичного та циклічного навантажувань. Розглянуто сучасний стан питання впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на напруження сколювання і статичну тріщиностійкість, співвідношення вўязкості руйнування при статичному та циклічному навантаженні, а також вплив циклічного навантаження тіла з тріщиною на опір крихкому руйнуванню.

На основі проведеного аналізу літератури можна стверджувати, що не зважаючи на ряд праць присвячених питанню впливу циклічного навантаження тіл з тріщинами на статичну тріщиностійкість, недостатньо обґрунтованими є розрахункові методики оцінки впливу попереднього циклічного деформування на опір крихкому руйнуванню. Не достатньо вивчене питання впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на локальні критерії деформування, зокрема, напруження сколювання. Відсутні кількісні методики оцінки опору крихкому руйнуванню матеріалів з тріщинами при статичному навантаженні з урахуванням попереднього циклічного навантаження на етапі росту втомної тріщини.

На основі проведеного аналізу сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі приведено методики експериментальних досліджень, характеристики обладнання, методи і засоби реалізації силових схем та вимірювання деформацій. Представлена характеристика хімічного складу та механічних властивостей досліджуваних матеріалів, креслення зразків для випробувань та схеми їх навантажування, формули для обчислення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН).

Експериментальні дослідження виконано на сервогідравлічній випробувальній машині СТМ-100 виробництва АНТК імені О.К. Антонова з керуючим ПК ІВМ РС/АТ. Керування машиною здійснювалось за деформацією та зусиллям прикладеним вздовж осі зразків. Реєстрація всіх результатів вимірювань здійснювалась на магнітоносій ПК.

Механічні властивості матеріалу, закономірності попереднього циклічного пружнопластичного деформування та напруження сколювання визначали на гладких циліндричних зразках з діаметром робочої ділянки 5мм. При визначенні напруження сколювання в усіх випадках була відсутня поперечна залишкова, макроскопічна деформація. Коректними вважались результати випробувань отримані на тих зразках, крихке руйнування яких відбувалось на робочій ділянці, в межах бази вимірювання.

Попереднє циклічне пружнопластичне деформування зразків здійснювалось при температурі 293К, а напруження сколювання визначалось при температурі 77К.

Вўязкість руйнування при статичному навантаженні визначали на компактних зразках, які виготовлялись з гладких пластин перерізом робочої частини 14,0ґ45мм, що піддавались попередньому циклічному навантаженню при Re=emin\emax=-1, тут emin, emax—найменша і найбільша пружнопластична деформація циклу. Температура даного виду випробувань становила 293К.

У третьому розділі представлені результати дослідження закономірностей попереднього циклічного пружнопластичного деформування теплостійкої сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) та його вплив на критерії втомного руйнування і напруження сколювання. Запропонована вдосконалена методика оцінки впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на опір крихкому руйнуванню на основі виявленої залежності напруження сколювання від параметра Одквіста.

Сталь 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) досліджували після термічної обробки, що моделювала радіаційне окрихчення матеріалу під дією нейтронного опромінення на кінець терміну експлуатації корпусу атомного реактора ВВЕР-440.

Циклічне пружнопластичне деформування збільшує ширину петлі гістерезису d(k) та зменшує границі текучості сталі при амплітуді пружнопластичної деформації ea >0,5 %. При збільшенні амплітуди пружнопластичної деформації спостерігається зменшення циклічної межі текучості s0,2.

Енергія втомного руйнування Wf сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) в умовах симетричного жорсткого деформування не залежить від кількості циклів навантаження до зародження тріщини в діапазоні 2·102…2·104 циклів, а також діаметра зразка 5 і 10 мм.

Із збільшенням відносного напрацювання зменшується напруження сколювання sСК, причому для різних значень розмаху повної деформації De існує єдина залежність виду :

; (1)

де Q, В, U—сталі матеріалу. Для сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) : Q=2573 МПа; В= -0,431, U= -1109 МПа.

Для прогнозування впливу попередньої пружнопластичної деформації на опір крихкому руйнуванню KIC необхідно знати залежність sСК від параметра навантаження який містить відносну довговічність та розмах пластичної деформації.

В якості такої функції можна використати параметр Одквіста c

(2)

де N—кількість циклів навантаження; Dep—розмах пластичної деформації.

Для розрахунку параметра Одквіста для проміжних значень Dep, використовували залежність Dep від De яку можна описати експоненціальною функцією виду :

; (3)

де L=8,382Ч10-5; G=300,341 —сталі матеріалу.

Таким чином, незалежно від величини амплітуди деформації і напрацювання напруження сколювання sск відносно параметра Одквіста c можна описати наступною формулою:

; (4)

де R, S, M—сталі матеріалу. Для сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) : M=  МПа; R=1900 МПа; S=-0,208Рис.1).

Базуючись на залежностях sск(c) та s0,2(De), вплив попереднього циклічного пружнопластичного деформування на статичну тріщиностійкість для сталі 15Х2МФА в пластичному (s0,2=584 МПа) і окрихченому стані (s0,2=1100 МПа) визначали за модифікованою формулою Хана для даного випадку:

(5);

s0,2(De)— залежність порогу текучості від розмаху пружнопластичної деформації; a — емпіричний коефіцієнт, Цм.

Для розрахунку опору крихкому руйнуванню сталі 15Х2МФА(s0,2=584 МПа) використовували залежність для sск(c), запропоновану Б.З.Марголіним :

, (6);

де C1=2,50Ч10-7 МПа-2; C2=4,21Ч10-7 МПа-2; Ag=1,71—сталі матеріалу.

Порівняння результатів експериментальних досліджень і розрахунку для сталей 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) та 15Х2МФА(s0,2=584 МПа) представлено на рис.2. Усереднене значення KIC для недеформованої сталі 15Х2МФА (s0,2=1100 МПа) приведене на рис.2,б рівне 65,3 МПаЦм.

Треба зауважити, що умова максимальної стисненості пластичної деформації для сталі 15Х2МФА (s0,2=584 МПа) при Т=123К виконується лише до KIC= 52,9 МПаЦм для t=12,5 мм, а для сталі 15Х2МФА (s0,2=1100 МПа) при Т=293К до KIC= 78,5 МПаЦм для t=14 мм та KIC= 74,16 МПаЦм для t=12,5 мм

Незалежно від товщини зразків для сталі 15Х2МФА (s0,2=1100 МПа), отримано задовільне узгодження розрахункових залежностей і експериментальних даних для зразків різної товщини (рис.2,а).

На рис.2,б приведені експериментальні та розрахункові значення вўязкості руйнування сталі 15Х2МФА (s0,2=584 МПа). Задовільне узгодження розрахунку і експерименту отримане лише для розмаху повної деформації De=1,4%. Похибка результатів експерименту і розрахунку для розмахів De=0,6% De=0,9% сталі 15Х2МФА (s0,2=584 МПа), очевидно, пояснюється тим, що для розрахунку тріщиностійкості використовувалась залежність напруження сколювання sск (6) отримана Марголіним Б.З. для сталі 15Х2МФА(s0,2=620 МПа) із близькими характеристиками механічних властивостей до сталі 15Х2МФА0,2=584 МПа).

У четвертому розділі досліджено вплив попереднього циклічного пружнопластичного деформування на мікромеханізми деформування і руйнування сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) та виявлено взаємозвўязок напруження сколювання і мікромеханізмів руйнування.

Виявлено, що втомні мікротріщини виникають як наслідок ковзання у найбільш сприятливо орієнтованих стосовно напрямку максимальних дотичних напружень зернах. Упродовж циклічного деформування спостерігалось відхилення від початкової орієнтації, яке можна повўязати з виходом мікротріщини на границю зерна.

Із збільшенням параметра Одквіста, а також відносного напрацювання спостерігається збільшення густини q і середньої довжини втомних мікротріщин. Проте у всіх випадках середня довжина мікротріщин не перевищувала середнього розміру зерна (150мкм).

Фрактографічні дослідження зламів зразків із сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) при температурі 77К, проводились на растровому електронному мікроскопі типу Combax в діапазоні збільшення від 200 до 2000 крат.

В зламі зразка із первісного матеріалу спостерігається багато ознак локальної пластичної деформації та крихкого руйнування, а також ознаки як міжзернового так і внутрішньозернового руйнування. Наявність цих складових свідчить, що руйнування проходить за змішаним механізмом і на даному етапі практично неможливо виділити переважаючий механізм.

Характерними особливостями зламу є наявність фасеток міжзернового руйнування , як покритих малими і великими ямками, так і слідами деформації ковзання, фасеток квазісколу, вторинних тріщин зернограничного характеру, а також ямок.

Зразок, підданий попередній пластичній деформації з амплітудою De=0,92% N=315, руйнується під дією інтегрального механізму в основі якого є локальна пластична деформація та міжзернове і внутрішньо зернове руйнування (фасетки міжзернового руйнування покриті малими і великими ямками і слідами деформації ковзанням; вторинних мікротріщин зернограничного характеру). Фасетки квазісколу дають змогу стверджувати, що у зламі присутній і механізм внутрішньозернового руйнування .

При тому ж розмаху деформації De=0,46%, але при збільшенні кількості циклів N=650 (зростанні c) зростає кількість фасеток міжзернового руйнування, а фасеток сколу внутрішньозернового руйнування в чистому виді майже не виявилось. Це може свідчити про зменшення вўязкої складової руйнування та збільшення впливу міжзернового та внутрішньозернового механізмів руйнування. Дійсно, спостерігається зменшення кількості ямок, за рахунок злиття мікропор, проте різко зростає кількість і розмір (ширина і довжина) вторинних мікротріщин, причому деякі з них приводять до структурного розшарування матеріалу.

Необхідно зауважити, що розшарування структури у чистому вигляді не спостерігається, оскільки тут присутні і інші фрактурні складові (фасетки сколу, ямки, вторинні тріщини як міжзернового так і внутрішньозернового характеру).

Злами зразків (De =1,6%; N = 50 цикл), (De =1,6%; N=150 цикл) які були деформовані при збільшенні амплітуди пластичної деформації, відрізняються від попередніх інтенсивним процесом утворення вторинних мікротріщин, особливо міжзернових. На поверхні фасеток внутрішньозернового сколу помітні східці, язички, гребінки, струмки.

У порівнянні з розмахом амплітуди De= 0,92% із ростом величини пластичної деформації зменшується кількість ямок (зменшення інтенсивного локального пластичного деформування) та зростає крихка складова руйнування (фасетки квазісколу, фасетки міжзернового та внутрішньозернового руйнування), про що свідчить зростання кількості вторинних мікротріщин. У всіх випадках спостерігається змішаний механізм руйнування.

Таким чином із ростом величини амплітуди пружнопластичного деформування характер механізму руйнування змінюється від внутрішньозернового до міжзернового руйнування, зменшеншується частка вўязкої складової руйнування (локальної пластичної деформації спричиненої рухом дислокацій). Спостерігається ріст кількості вторинних мікротріщин внутрішньозернового а, особливо міжзернового характеру. Оскільки механізм утворення міжзернових мікротріщин менш енергозатратний у порівнянні з іншими механізмами, що присутні у даному матеріалі, це спричиняє зменшення напруження сколювання пластично деформованих зразків.

Проаналізовано отримані автором, а також відомі з літератури результати дослідження впливу пружнопластичної деформації (розтяг, стиск, циклічне деформування) на sск (Таблиця 1 та рис.3.).

Наведені (рис.3) експериментальні залежності можна поділити на дві групи: в яких sСК зростає із збільшенням c; в яких sСК зменшується із збільшенням c.

Відомо, що зростання величини sСК(c) сталі 15Х2МФА (s0,2=560 МПа, sв=640 МПа при Т=293К) крива, IV пояснюється двома причинами: утворенням внутрішньо зернової субструктури та збільшенням розорієнтування меж структурних складових первісного зерна.

Із зростанням пластичної деформації відбувається виникнення комірчастої (щільникової) структури, із зменшенням діаметра комірок та одночасним накопиченням дислокацій на зовнішніх (головних) границях зерен, а при досягненні певної величини "насичення" на інших.

Зростання напруження, необхідного для розповсюдження мікротріщин через ці границі, обумовлене збільшенням кількості самих границь та зменшенням розміру комірки.

Т а б л и ц я 1

Характеристики механічних властивостей теплостійких сталей

№п/п Матеріал, літературне джерело s0,2* sв* Температура деформування, К Режим навантаження

МПа МПа

I 15Х2МФА 1100 1160 293 циклічне ППД

II 15Х2МФА [Трощенко,1997] 653 694 573 статичний розтяг

III 15Х2МФА [Марголін,1993] 620 740 293 статичний розтяг

IV 15Х2НМФА [Марголін,1993] 560 640 293 циклічне ППД

V 15Х2МФА [Марголін,1996] 560 665 293 стиск

s0,2*, sв*—характеристики механічних властивостей при температурі деформування

Дане пояснення справедливе при достатньо малих втомних тріщинах, розмір яких співрозмірний з розміром комірки субструктури зерна. При великих значеннях c, а відповідно значних втомних пошкодженнях, розмір яких порядку декількох діаметрів зерна, sСК(c) може зменшуватись .

Зменшення sСК для сталі 15Х2МФА (s0,2=560 МПа, sв=665 МПа при Т=293К) крива V, після деформування стиском пояснюється зміною механізму руйнування від сколу і квазісколу до механізму внутрішньозернового і міжзернового руйнування. Під час попереднього пластичного деформування відбувається загострення мікропор, що сприяє більшій кількості гострих мікротріщин, які швидше розповсюджуються межами зерен, оскільки там відсутні барўєри. Одночасно розповсюджуються і внутрішньозернові тріщини, але їх поширенню перешкоджають барўєри, які утворюють деформаційні субструктури. Наслідком зміни механізму руйнування і є значне зниження напруження сколювання.

Зменшення напруження сколювання sСК, очевидно, пояснюється різним характером локальних механізмів руйнування: сколу і квазісколу за даними досліджень Б.З. Марголіна та інтегрального механізму, встановленого у даній роботі. Одночасно зростання із ростом c можна пояснити різними механічними характеристиками властивостей матеріалу при температурі попереднього пружнопластичного деформування, що ілюструє не співпадання даних sСК для аналогічних діапазонів c(крива II, III) та подібних механічних характеристик властивостей матеріалу.

При порівнянні результатів дослідження приведеного у даній праці, із результатами роботи Б.З.Марголіна, необхідно зауважити, що механічні характеристики матеріалів, що піддавались попередньому пластичному деформуванню були різними. У роботі Б.З.Марголіна досліджувались зразки із сталі 15Х2МФА (s0,2=560 МПа, sв=665 МПа ) у вихідному стані, а у нашому випадку досліджували сталь 15Х2МФА (s0,2=1100 МПа, sв=1160 МПа) після термообробки, яка імітує окрихчення матеріалу під дією нейтронного опромінення.

Хоча попереднє пластичне деформування і здійснювалось різними способами: стиском (Б.З.Марголін) і циклічним деформуванням, характер механізму руйнування був практично аналогічний, тобто внутрішньозерновий і міжзерновий із явно вираженим переважанням останньої складової із зростанням амплітуди деформації при циклічному деформуванні.

У п'ятому розділі представлено удосконалену модель руйнування тіла з тріщиною при статичному навантаженні, що враховує вплив навантаження на етапі поширення втомної тріщини, запропоновано методику прогнозування впливу історії навантажування (амплітуди і кількості циклів) на статичну тріщиностійкість теплотривких сталей з урахуванням виявленої залежності sСК від параметрів попереднього циклічного пружнопластичного деформування.

Розподіл розмахів напружень і пластичних деформацій біля вістря тріщини на її продовженні (q = 0) можна описати з використанням HRR - моделі наступним чином:

; (7)

; (8)

де sтц—циклічний поріг текучості; n—коефіцієнт Пуассона; I—безрозмірна функція від показника деформаційного зміцнення n'; r—відстань до вістря тріщини;—нормовані функції від n'; DК—розмах коефіцієнта інтенсивності напружень DK=Kmax-Kmin (тут Kmin, Kmax—мінімальний і максимальний КІН за цикл навантажування);q—кут між розглядуваною точкою і віссю абсцис; Е—модуль пружності першого роду.

У цьому випадку зв'язок між напруженням і пластичною деформацією за циклічного навантажування має вигляд:

; (8)

де —відповідно розмах пластичної деформації і напруження.

, sтц—поріг текучості за циклічного навантажування.

Питома енергія пружно пластичної деформації в околі вістря тріщини за цикл навантажування визначається за формулою:

; (9)

Розмір зони пошкоджуваності (непружних деформацій) на продовженні тріщини:

; (10)

Циклічну межу пропорційності визначали за допуском на пластичну деформацію 2ґ10-5 мм/мм.

При формулюванні моделі прийнято такі основні допущення:

У вістрі втомної тріщини в межах зони пошкоджуваності реалізується жорстке навантажування, тобто Re=-1. На відстані X* від вістря тріщини розмахи напружень і деформацій сталі.

Вплив попереднього циклічного навантаження зразка із тріщиною на стадії затримки її росту на КІС описується формулою (де sСК=const):

; (12)

де КІС—мінімальна в'язкість руйнування; kw- емпіричний коефіцієнт, який характеризує інтенсивність окрихчення матеріалу за циклічного навантажування.

Перехід від ділянки затримки до неперервного росту відбувається коли на відстані Х* від вершини тріщини питома енергія непружної деформації досягає рівня питомої енергії втомного руйнування W=Wв.

Обчислені і отримані експериментальні залежності в'язкості руйнування сталі 15Х2МФА(s0,2=1100 МПа) від кількості циклів навантажування на ділянках затримки (I) і неперервного (II) росту втомної тріщини, а також динамічна в'язкість руйнування KDC представлені на рис.4. Розрахунок виконаний із припущення, що sСК=const.

Зауважимо, що хоча розрахункова в'язкість руйнування знаходиться нижче експериментальних даних, проте вказані залежності відображають загальну тенденцію впливу історії навантажування на .

Запропоновано вдосконалену методику прогнозування впливу попереднього циклічного навантаження на статичну тріщиностійкість, яка враховує вплив попереднього пружнопластичного деформування на напруження сколювання. Вўязкість руйнування обчислювали за формулою (5) з урахуванням залежності sСК від параметра Одквіста (4)

Обчислення виконувались ґрунтуючись на припущенні, що на ділянці неперервного росту тріщини розсіювання енергії непружної деформації біля її вістря відсутнє, а швидкість поширення втомної тріщини в 2 рази більша ніж загальна макрошвидкість, яка отримується з експерименту.

На рис.5 представленні розрахункові і експериментальні залежності в'язкості руйнування сталі 15Х2МФА (s0,2=1100 МПа) від кількості циклів навантажування на ділянках затримки (а) і неперервного (б) росту втомної тріщини, а також динамічна в'язкість руйнування KDC .

Зауважимо, що розрахункова залежність в'язкості руйнування , при розрахунку за даною методикою, значно краще узгоджується з експериментальними даними порівняно з розрахунком при sСК=const (рис.4).

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється у розробці методик прогнозування впливу історії навантаження на опір крихкому руйнуванню теплостійкої сталі 15Х2МФА з урахуванням впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на напруження сколювання та підвищенні достовірності розрахунку утримувальної здатності і довговічності елементів конструкцій з тріщинами.

1. Розроблено методики дослідження впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на напруження сколювання і статичну тріщиностійкість теплотривких сталей та програму автоматизованої обробки експериментальних даних, які реалізовані на випробувальній сервогідравлічній машині СТМ-100, що керується від ПК ІВМ РС/АТ 286.

2. Виявлено основні закономірності циклічного пружнопластичного деформування і руйнування теплостійкої сталі 15Х2МФА після термообробки, яка імітує окрихчення матеріалу під дією нейтронного опромінення в умовах жорсткого циклу навантаження. Встановлено, що пружнопластичне циклічне деформування приводить до збільшення ширини петлі d(k) та зменшення границі текучості при ea >0,5 %. Енергія втомного руйнування Wf сталі 15Х2МФА в умовах симетричного жорсткого деформування не залежить від кількості циклів навантаження до зародження тріщини , а також діаметра зразка в діапазоні 2·102…2·104 циклів.

3. Встановлено, що попереднє циклічне пружнопластичне деформування при контрольованій амплітуді деформації зменшує напруження сколювання sСК сталі 15Х2МФА у порівнянні з недеформованим матеріалом. Залежність sСК від параметра Одквіста c є інваріантною до амплітуди пружнопластичного деформації та кількості циклів навантажування.

4. Виявлено, що характер впливу попередньої пластичної деформації на напруження сколювання теплостійких сталей з різними механічними властивостями визначається різним впливом попередньої пластичної деформації на мікромеханізми руйнування. Попереднє циклічне пружнопластичне деформування сталі 15Х2МФА (s0,2=1100 МПа) змінює співвідношення між складовими змішаного механізму руйнування: зменшується частка внутрішньозернового руйнування, що переважає у недеформованому стані та зростає частка міжзернового руйнування у пластично деформованому матеріалі.

5. Реалізація того чи іншого мікромеханізму руйнування залежить від температури попереднього пружнопластичного деформування та характеристик механічних властивостей матеріалу при цій температурі. Попередня пружнопластична деформація при температурі вище температури в'язко-крихкого переходу приводить до зростання напруження сколювання, а нижче температури в'язко-крихкого переходу до зменшення напруження сколювання.

6. Запропонована методика прогнозування впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування гладких зразків, на статичну тріщиностійкість, яка ґрунтується на аналізі закономірностей циклічного деформування з урахуванням залежності sск від параметрів попереднього навантаження. Запропонована методика, використана для обчислення залежності опору крихкому руйнуванню KIC 15Х2МФА у пластичному і окрихченому стані в залежності від параметрів попереднього циклічного пружнопластичного деформування, дає задовільне узгодження обчислених і експериментальних даних.

7. Вдосконалено модель руйнування тіла з тріщиною при статичному навантаженні, яка ґрунтується на аналізі напружено-деформованого стану у вістрі тріщини з врахуванням впливу попереднього циклічного навантаження на етапі росту втомної тріщини на напруження сколювання матеріалу. На основі приведеної моделі розроблено методику прогнозування впливу попереднього циклічного навантаження (амплітуди і кількості циклів) теплотривких сталей на стадії поширення втомної тріщини на статичну тріщиностійкість. Обчислені залежності в'язкості руйнування окрихченої сталі 15Х2МФА (s0,2=1100 МПа) від кількості циклів і амплітуди навантажування на ділянці затримки і неперервного поширення втомної тріщини, які задовільно узгоджуються із експериментальними даними .

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. П. Ясній, О. Ващенко, В. Гуцайлюк. Прогнозування впливу історії навантажування на опір крихкому руйнуванню теплотривких сталей. Вісник Тернопільського державного технічного університету—1998.— Т3., №3. С.157-163.

2. П.В.Ясній, В.Б. Гуцайлюк. Критерії втомного руйнування і закономірності циклічного пружнопластичного деформування сталі 15Х2МФА // Вісник Тернопільського державного технічного університету—2000.— Т5., №4. С.5-10.

3. П.В.Ясній, В.Б. Гуцайлюк. Вплив циклічного пружнопластичного деформування на механізм руйнування і напруження сколювання теплостійкої сталі. // Вісник Житомирського інженерно технологічного університету—2001.— Випуск 16 . С.8-18.

4. П.В.Ясній, В.Б. Гуцайлюк. Прогнозування впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на опір крихкому руйнуванню сталі 15Х2МФА // Вісник Тернопільського державного технічного університету—2001.— Т.6, № 2. С.13-19.

5. П.В.Ясній, В.Б.Гуцайлюк. Оцінка впливу історії навантаження на в'язкість руйнування. Механика и физика разрушения строительных материалов и конструкций/ Під загальною редакцією Андрейкива А.Е., Лучко И.И. - Львов;Каменяр.1998. С.422-424.

6. П.В.Ясній, В.Б. Гуцайлюк. Вплив попереднього пружно пластичного деформування на опір крихкому руйнуванню. Механика и физика разрушения строительных материалов и конструкций/ Під загальною редакцією Андрейкива А.Е., Лучко И.И. - Львов;Каменяр.2000. – С. 416-421.

7. P.Yasniy. V.Hutsaylyuk Loading History Influence on the Brittle Fracture resistance of the Head - Resistance Steels. Proceedings the Eighth International Conference on the Mechanical Bechaviour of Materials ICM8.Victoria.B.C. Canada May 16 - 21, 1999Volume I. Fatigue and Fracture., pp.155-159.

8. В.Б.Гуцайлюк. Оцінка впливу навантаження на в'язкість руйнування. Третя науково технічна конференція ТДТУ (24 - 26 листопада 1998 року) ''Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино - і приладобудуванні''. Тернопіль .С.74

9. В.Б.Гуцайлюк. Вплив циклічного навантажування на опір крихкому руйнуванню теплостійкої сталі 15Х2МФА. Четверта науково технічна конференція ТДТУ (17 - 19 травня 2000 року) ''Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино - і приладобудуванні''. Тернопіль .С.28.

10. В.Б.Гуцайлюк. Напруження сколювання і мікромемеханізм руйнування теплостійкої сталі 15Х2МФА. Пўята науково технічна конференція ТДТУ (24 - 26 квітня 2001 року) ''Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино - і приладобудуванні''. Тернопіль С. 103

АНОТАЦІЇ

Гуцайлюк В.Б. Вплив попереднього циклічного навантаження на опір крихкому руйнуванню теплостійкої сталі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04—Механіка деформівного твердого тіла.—Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, м. Тернопіль, 2001.

Дисертація присвячена дослідженню впливу попереднього циклічного навантаження на опір крихкому руйнуванню теплостійкої сталі 15Х2МФА. Виявлено основні закономірності впливу параметрів попереднього циклічного пружнопластичного деформування на характеристики механічних властивостей, напруження сколювання, тріщиностійкість сталі. Встановлено, що попереднє циклічне пружнопластичне деформування при контрольованій амплітуді деформації зменшує напруження сколювання sСК. Залежність sСК від параметра Одквіста c є інваріантною до амплітуди пружнопластичної деформації та кількості циклів навантажування. При циклічному пружнопластичному деформуванні зменшується частка внутрішньозернового руйнування, що переважає у недеформованому стані, зростає частка міжзернового руйнування у пластично деформованому матеріалі. Запропоновано методику прогнозування впливу попереднього циклічного пружнопластичного деформування на опір крихкому руйнуванню з урахуванням залежності sск від параметрів попереднього навантаження. Удосконалено модель руйнування тіла з тріщиною при статичному навантаженні з врахуванням впливу попереднього циклічного навантаження при стабільному і нестабільному рості тріщини. Запропоновано методику прогнозування впливу попереднього циклічного навантаження на етапі поширення втомної тріщини на опір крихкому руйнуванню теплостійких сталей з врахуванням впливу циклічного пружнопластичного деформування на напруження сколювання.

Ключові слова: напруження сколювання, теплотривка сталь, вўязкість руйнування, циклічне пружнопластичне деформування, мікромеханізми руйнування.

Гуцайлюк В.Б. Влияние предварительного циклического нагружения на сопротивление хрупкому разрушению теплостойкой стали. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04—Механика деформируемого твердого тела.—Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, г. Тернополь, 2001.

Диссертация посвящена исследованию влияния предварительного циклического нагружения на сопротивление хрупкому разрушению теплостойкой стали 15Х2МФА и разработке методик прогнозирования трещиностойкости с учетом влияния параметров предварительного циклического упругопластического деформирования.

Разработанные методики испытания и автоматизированного исследования характеристик механических свойств и закономерностей циклического упругопластического деформирования гладких цилиндрических образцов при жестком нагружении. Предложенная методика определения напряжения скола на гладких цилиндрических образцах после циклического упругопластического деформирования.

Выявлены основные закономерности влияния параметров предварительного циклического упругопластического деформирования на характеристики механических свойств, критерии локального разрушения и напряжения скола теплостойких сталей. Упругопластическое циклическое деформирование приводит к увеличению ширины петли d(k) и уменьшению границы текучести при ea >0,5 %. Энергия усталостного разрушения Wf стали 15Х2МФА (s0,2=1100 МПа) в условиях симметричного жесткого цикла деформирования не зависит от количества циклов нагружения в диапазоне Nт=2·102…2·104 цикл к зарождению трещины, а также диаметра образца.

Установлено, что предшествующее циклическое упругопластическое деформирование при контролируемой амплитуде деформации уменьшает напряжение скола sСК. Зависимость sСК от параметра Одквиста c инвариантна относительно амплитуды упругопластической деформации и количества циклов нагружения. Установлено, что характер влияния предварительной пластической деформации на напряжение скола теплостойких сталей с разными механическими свойствами определяется разным влиянием предварительной пластической деформации на микромеханизмы разрушения. Циклическое упругопластическое деформирование изменяет соотношение между составляющими смешанного механизма разрушения: уменьшается составляющая внутризеренного разрушения, которое преобладает в недеформированном состоянии и возрастает частица межзеренного разрушения в пластически деформированном материале. Реализация того или иного микромеханизма разрушения зависит от температуры, при которой проводится предварительное упругопластическое деформирование, механических свойств материала при этой температуре. Предварительная упругопластическая деформация при температуре выше температуры вязко-хрупкого перехода приводит к возрастанию напряжения скола, а ниже температуры вязко-хрупкого перехода к уменьшению напряжения скола.

Предложена методика прогнозирования влияния предварительного упругопластического деформирования, на трещиностойкость, которая базируется на анализе закономерностей циклического деформирования с учетом зависимости sск от параметров предварительного нагружения. Усовершенствована модель разрушения тела с трещиной при статическом нагружении, которая учитывает влияние предварительного циклического нагружения при усталостном росте трещины. Предложена методика прогнозирования влияния циклического нагружения (амплитуды и количества циклов) на этапе роста усталостной трещины на сопротивление хрупкому разрушению теплоустойчивых сталей.

Ключевые слова: напряжение скола, теплоустойчивая сталь, вязкость разрушение, циклическое упругопластическое деформирование, микромеханизмы разрушения.

Hutsaylyuk V.B. Influence of prestress cyclic loading brittle fracture resistance of heat-resistance steel .—Manuscript.

Dissertation for the candidate degree in engineering in specialty 01.02.04—"Fracture Mechanics".—Ternopil Ivan Pul'uj State Technical University Ternopil, 2001.

Dissertation deals to analysis of Influence of prestress cyclic loading brittle fracture resistance of heat-resistance steel and design of procedure of brittle fracture resistance of heat-resistance steel. The basic behavior, of influence of parameters of cyclic elasto-plastic pre deformation on mechanical characteristics, criterion local failure and cleavage stress were detected. Is established, that the preceding cyclic elasto-plastic deformation at inspected amplitude of a strain decrease cleavage stress scl Dependence scl from parameter c is invariant to amplitude of a elasto-plastic deformation and amount of cycles loading. At cyclic elasto-plastic deformation is decrease component transcrystallition of fracture, which predominates in a undeformed mode increases component of intergranular fracture in a plastically deformed material. The procedure prediction of influence of prestress cyclic elasto-plastic deformation, on brittle fracture resistance was is proposal, in view of dependence scl from parameters of a preceding loading. The model of fracture of a body with a crack is perfected, at a static loading, in view of a history of a loading at stable and fatigue crack growth. The design of procedure of influence of a prestress cyclic loading on resistance to brittle failure heat-resistance steel and perfected procedure is proposal in view of influence of cyclic elasto-plastic deformation on resistance to brittle failure.

Key words: cleavage stress, heat-resistance steel, fracture toughness, cyclic elasto-plastic deformation, micromechanisms of fracture.