ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механическая и термическая усталость из "Прочность паровых турбин Изд.2 " Особенностью излома металла при усталости является его хрупкость как правило, в этом случае шейка полностью отсутствует, и если обе полоБины сломавшегося (при испытаниях) образца приложить одну к другой, то практически полностью восстанавливается первоначальная форма образца [95, 110, 144, 147]. Усталостью этот процесс назван по той причине, что трещины в образце растут постепенно, что незаметно в течение длительного периода. Это длительный, прогрессирующий процесс, протекающий при непременном условии многократных повторных нагрузок. [c.19] Металл в своем строении имеет микроскопические и субмикроскопи-ческие неоднородности. По природе металл (в данном случае образец) представляет собой поликристаллический конгломерат, состоящий из упругих и упруго-пластических деформирующихся элементов. Процессы пластической деформации, упрочнения и разупрочнения протекают в объемах неравномерно напряженного (упомянутого выше) конгломерата. Разрушение зарождается в зонах, где вероятность сочетания наибольшего повышения напряжений и снижения прочности наиболее высокая [2, 120, 144]. Совершенно очевидна статистическая природа возникновения начальных стадий процесса развития и завершающих стадий усталостных разрушений. [c.19] Кривая усталости связывает величину переменных напряжений с числом циклов, необходимым для разрушения или деформирования образца до определенной стадии. Эта кривая носит название кривой Веллера. [c.20] Кривая усталости имеет четко выраженный асимптотический характер, свидетельствующий о существовании действительного предела усталости, т. е. переменных напряжений с такой наибольшей амплитудой, действие которых может выдержать материал при весьма большом, практически неограниченном числе повторений. Пределом выносливости, или пределом усталости, называют наибольшее по абсолютной величине напряжение, которое образец из данного металла выдерживает без разрушения при неограниченно большом числе циклов напряжения [120, 147]. [c.20] Обычно величины напряжений, соответствующие пределу усталости, достигаются при комнатной температуре для сталей и чугунов при числе циклов, равном 10 —10 , причем большее число циклов соответствует большим размерам сечения образца. При этом кривая Веллера имеет хорошо выраженный переход в направлении, параллельном оси абсцисс, на которой отложено число циклов [48, 83, 120, 143, 144]. При небольшом повышении температуры при прочих равных условиях действительный предел выносливости сохраняется. Выше определенной для данного сплава температуры кривые усталости имеют значительный уклон к оси, отображающей число циклов, и даже при значительном увеличении числа циклов (до миллиарда и более) непараллельны оси циклов. Аналогично высокой температуре влияет агрессивная среда пар и вода с примесью щелочей и различных агрессивных добавок. В этих случаях величина предела выносливости обусловливается тем числом циклов (т. е. базой испытания, см. гл. VUI), при котором она определяется. Часто используется база, равная 10 циклов. [c.20] Усталостная трещина зарождается, в зависимости от особенностей данного металла и рода напряженного состояния, на разных стадиях циклического деформирования. Исследования [120, 144 показали что при однородных напряженных состояниях (например, растяжение — сжатие гладких образцов) и слабо неоднородных напряженных состояниях (кручение круглых образцов) в относительно однородных металлах (например, конструкционные стали) трещина возникает после накопления 0,8—0,9 общего числа циклов, необходимых для разрушения. Для менее однородных металлов (серые чугуны) в этих же условиях нагружения трещина возникает после накопления 0,2—0,3 общего числа циклов, необходимых для разрушения. В относительно однородных металлах (конструкционные стали) при условии большой неоднородности напряженного состояния (например, концентрации напряжений) трещина возникает в пределах 0,3—0,4 числа циклов от разрушающего числа. [c.20] Масштабный фактор (или иначе называемый масштабный эффект) тесно связан с физической природой прочности и разрушения твердых тел. Механические свойства сплава, особенно при знакопеременных или повторяющихся нагружениях, зависят от абсолютных размеров испытываемых образцов и конструкций даже в случае полного соблюдения подобия их геометрической формы и условий испытания [48, 61, 88, 144]. Предел выносливости гладких образцов понижается с увеличением их размеров, что оценивается коэффициентом влияния абсолютных размеров сечения. Для материалов с неоднородной структурой (литые стали, чугуны) влияние размеров образца на выносливость более резко выражено, чем для металлов с однородной структурой. Наиболее значительно снижается усталостная прочность с ростом размеров образца [48, 88] в случае неоднородного распределения напряжений по сечению образца (при изгибе). Форма поперечного сечения образца, определяющая объем металла, находящегося под действием максимальных напряжений, существенно влияет на выносливость образца. При плоском изгибе влияние на предел выносливости размеров прямоугольных образцов больше, чем цилиндрических. При однородном распределении напряжений по сечению гладких образцов (переменное растяжение — сжатие) масштабный эффект практически не проявляется. Характерно, что при наличии концентраторов напряжения масштабный эффект наблюдается при всех, без исключения, видах напряженного состояния. Чем более прочна сталь, тем сильнее проявляется масштабный эффект. [c.21] Исследования И. В. Кудрявцева и Н. М. Саввиной ступенчатых валов (с галтелями), изготовленных из стали 34ХНЗМА, показали, что при сохранении постоянным отношения радиуса перехода к диаметру вала и увеличении диаметра от 5—20 мм до 170 мм прочность вала снижается на 40% [61]. Характерно, что предел выносливости вала значительно повышается при накатке галтелей роликами. Однако степень понижения усталостной прочности с ростом абсолютных размеров валов с упрочнением и без упрочнения имеет одну и ту же величину. [c.21] Для широко применяемых в паровых турбинах сталей, а также для сплавов на никелевой и титановой основах отсутствуют постоянные соотношения между величинами предела усталости и предела текучести. [c.21] Работы Н. Е. Наумченкова [61, 88] подтверждают, что общие закономерности влияния масштабного эффекта на усталостную прочность,, полученные для кованых и литых образцов, распространяются и на сварные соединения. Это необходимо учитывать при конструировании тяжело нагруженных сварных роторов. При увеличении диаметра образцов от 28/16 мм до 245/220 мм усталостная прочность сварного соединения снижается на 45—33%. Особенно резко масштабный эффект проявляется в тех случаях, когда сварные соединения имеют такие опасные для прочности детали концентраторы напряжений, как подрезы и резкие обрывы шва. [c.21] Под термической усталостью понимают появление в детали трещин вследствие действия циклических термических напряжений [4]. Эти напряжения возникают при отсутствии возможности свободного изменения геометрических размеров детали. Трещины термической усталости появляются после некоторого числа теплосмен. Исследования Ю. Ф. Баландина показали, что еще до образования трещин термической усталости в материале происходят необратимые структурные изменения, влияющие на кротковременные и длительные характеристики металла. Эти изменения могут также вызвать изменение размеров детали. Первые трещины термической усталости возникают на поверхности изделий и трудно различимы, особенно на литых необработанных поверхностях. При последующем увеличении числа циклов количество трещин и их размеры возрастают. Образуется сетка трещин, возникают разрывы стенок, и деталь разрушается. Следует учитывать, что действие теплосмен на деталь, как правило, происходит одновременно с действием механических нагрузок (от давления, центробежных сил и т. п.), остаточных напряжений, коррозионной среды, и т.д. Таким образом, повреждения детали определяются суммарным действием всех перечисленных выше факторов. Следует отметить, что при анизотропии свойств металла детали, т. е. при различных коэффициентах линейного расширения, могут появиться термические напряжения второго рода. [c.22] При эксплуатации деталей и узлов паровых турбин все типичные случаи термической усталости относятся к категории малоцикловой усталости. Число циклов за весь период работы турбины не превышает десятков тысяч. [c.22] Сопротивлением термической усталости называют способность детали выдерживать, без образования трещин, определенное число теплосмен [4]. Этот термин более четко характеризует состояние материала, чем термостойкость и другие термины. [c.22] Исследования показали, что при относительно низких температурах крупнозернистые сплавы лучше сопротивляются термической усталости, а при высоких температурах более высокое сопротивление обнаруживают мелкозернистые сплавы. Весьма неблагоприятно на сопротивление материала термической усталости влияет сочетание действия теплосмен с вибрационными нагрузками. [c.23] Сопротивление детали паровой турбины малоцикловой термической усталости в значительной мере зависит от наличия концентраторов. Для области действия термической усталости следует говорить не о концентрации напряжений, а о концентрации деформаций. К концентраторам следует отнести не только неравномерности поверхности детали (надрезы, выточки, острые кромки, отверстия), но также неоднородность структуры и механических свойств (анизотропия), вызываемые несовершенной термической обработкой, наклепом и т. д. Ускорение образования трещин термической усталости при наличии концентраторов подтверждается многочисленными экспериментами. Так, например, мелкие неровности на поверхности деталей оказывают существенное влияние на появление трещин. При грубой шлифовке, когда высота неровностей доходит до 2,5 мкм, число циклов, вызывающее трещины, оказывается втрое меньшим, чем при более чистой обработке, когда высота неровностей равна 0,25 мкм. Большое значение имеет не только чистота поверхности, но и ориентация неровностей (рисок) относительно направления термических напряжений. [c.23] На сопротивление термической усталости отрицательно влияет коррозия, особенно интеркристаллитная и язвенная. [c.23] Для сталей неблагоприятное действие на сопротивление термической усталости оказывают примеси свинец, олово, сурьма, сера. Особенно опасны прожилки серы (внеосевая ликвация), очень часто встречающиеся в деталях. В литых сплавах трещины термической усталости, как правило, возникают при меньшем числе циклов, чем в деформированных (поковках, штамповках). [c.23] Моделирование термической усталости с помощью образцов весьма условно, так как надежных критериев подобия нет 4.109]. [c.23] Вернуться к основной статье