Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния различных режимов термического нагружения на характеристики сопротивления длительному статическому и циклическому неизотермическому нагружению конструкционной стали 15Х11МФБл применительно к условиям эксплуатации горно-обогатительного...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2001 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2001
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46593 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен / А.П. Гопкало // Проблемы прочности. — 2001. — № 3. — С. 57-70. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46593 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Гопкало, А.П. 2013-07-01T19:56:28Z 2013-07-01T19:56:28Z 2001 Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен / А.П. Гопкало // Проблемы прочности. — 2001. — № 3. — С. 57-70. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46593 539.4 Представлены результаты экспериментальных исследований влияния различных режимов термического нагружения на характеристики сопротивления длительному статическому и циклическому неизотермическому нагружению конструкционной стали 15Х11МФБл применительно к условиям эксплуатации горно-обогатительного оборудования. Экспериментально установлено, что при малоцикловом неизотермическом нагружении в материале протекают два процесса накопления повреждений: квазистатический, связанный с направленным пластическим деформированием, и усталостный - со знакопеременным пластическим деформированием. Детально исследовано влияние перегревов материала на вид разрушения и характеристики сопротивления длительному статическому и циклическому неизотермическому нагружению. Показано хорошее соответствие порогового значения параметра, определяющего смену превалирующих процессов накопления повреждений исследуемой стали, аналогичным значениям параметра для других сталей. Полученные результаты исследований показывают, что напряжения, используемые в качестве критерия долговечности, достаточно удовлетворительно описывают долговечность в условиях малоциклового неизотермического нагружения независимо от вида развивающегося в материале превалирующего процесса накопления повреждений. Представлено результати експериментальних досліджень впливу різних режимів термічного навантаження на характеристики опору тривалого статичного і циклічного неізотермічного навантаження конструкційної сталі 15Х11МФБл стосовно умов експлуатації гірничо-збагачувального обладнання. Установлено, що при малоцикловому неізотермічному навантаженні в матеріалі протікають два процеси накопичення пошкоджень: квазістатич- ний, зумовлений направленим пластичним деформуванням, і утомний, зумовлений знакозмінним пластичним деформуванням. Детально досліджено вплив перегріву матеріалу на вид руйнування та характеристики опору тривалому статичному і циклічному неізотермічному навантаженню. Показано добру відповідність порогового значення параметра, що визначає зміну механізмів пошкодження досліджуваної сталі, аналогічним значенням для інших сталей. Використання напруження як критерію довговічності достатньо задовільно описує довговічність в умовах малоциклового неізотермічного навантаження незалежно від розвитку в матеріалі виду пошкодження. We present results of the experimental study of the effect of various thermal loading modes on the resistance characteristics of structural steel 15Kh11MFBl under long-term static and cyclic nonisothermal loading conditions corresponding to the service conditions of ore mining and processing equipment. It was experimentally established that low-cycle non-isothermal loading of material is accompanied by two processes of damage accumulation: quasi-static process related to a directional plastic deformation and fatigue process related to alternate plastic deformation. We studied in detail the material overheating effect on the fracture mode and the characteristics of resistance to the long-term static and cyclic non-isothermal loadings. We demonstrate a fairly good correlation between the threshold value of the parameter, which defines a change in the dominating processes of damage accumulation in the steel under study, and values of the similar parameter of other steels. The results obtained indicate that stresses can be used as durability criteria that provide quite satisfactory description of the material durability under conditions of low-cycle nonisothermal loading irrespective of the particular type of the dominating process of damage accumulation in the material. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен Strength and Durability of Structural Steel 15Kh11MFBl under Thermal Shock Conditions Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен |
| spellingShingle |
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен Гопкало, А.П. Научно-технический раздел |
| title_short |
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен |
| title_full |
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен |
| title_fullStr |
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен |
| title_full_unstemmed |
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен |
| title_sort |
прочность и долговечность конструкционной стали 15х11мфбл в условиях теплосмен |
| author |
Гопкало, А.П. |
| author_facet |
Гопкало, А.П. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2001 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы прочности |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Strength and Durability of Structural Steel 15Kh11MFBl under Thermal Shock Conditions |
| description |
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния различных режимов
термического нагружения на характеристики сопротивления длительному статическому и
циклическому неизотермическому нагружению конструкционной стали 15Х11МФБл применительно
к условиям эксплуатации горно-обогатительного оборудования. Экспериментально
установлено, что при малоцикловом неизотермическом нагружении в материале протекают
два процесса накопления повреждений: квазистатический, связанный с направленным
пластическим деформированием, и усталостный - со знакопеременным пластическим деформированием.
Детально исследовано влияние перегревов материала на вид разрушения и
характеристики сопротивления длительному статическому и циклическому неизотермическому
нагружению. Показано хорошее соответствие порогового значения параметра,
определяющего смену превалирующих процессов накопления повреждений исследуемой стали,
аналогичным значениям параметра для других сталей.
Полученные результаты исследований показывают, что напряжения, используемые в качестве
критерия долговечности, достаточно удовлетворительно описывают долговечность
в условиях малоциклового неизотермического нагружения независимо от вида развивающегося
в материале превалирующего процесса накопления повреждений.
Представлено результати експериментальних досліджень впливу різних режимів
термічного навантаження на характеристики опору тривалого статичного
і циклічного неізотермічного навантаження конструкційної сталі
15Х11МФБл стосовно умов експлуатації гірничо-збагачувального обладнання.
Установлено, що при малоцикловому неізотермічному навантаженні
в матеріалі протікають два процеси накопичення пошкоджень: квазістатич-
ний, зумовлений направленим пластичним деформуванням, і утомний,
зумовлений знакозмінним пластичним деформуванням. Детально досліджено
вплив перегріву матеріалу на вид руйнування та характеристики опору
тривалому статичному і циклічному неізотермічному навантаженню. Показано
добру відповідність порогового значення параметра, що визначає
зміну механізмів пошкодження досліджуваної сталі, аналогічним значенням
для інших сталей.
Використання напруження як критерію довговічності достатньо задовільно
описує довговічність в умовах малоциклового неізотермічного навантаження
незалежно від розвитку в матеріалі виду пошкодження.
We present results of the experimental study of
the effect of various thermal loading modes on
the resistance characteristics of structural steel
15Kh11MFBl under long-term static and cyclic
nonisothermal loading conditions corresponding
to the service conditions of ore mining and
processing equipment. It was experimentally established
that low-cycle non-isothermal loading
of material is accompanied by two processes of
damage accumulation: quasi-static process related
to a directional plastic deformation and fatigue
process related to alternate plastic deformation.
We studied in detail the material overheating
effect on the fracture mode and the characteristics
of resistance to the long-term static
and cyclic non-isothermal loadings. We demonstrate
a fairly good correlation between the
threshold value of the parameter, which defines
a change in the dominating processes of damage
accumulation in the steel under study, and
values of the similar parameter of other steels.
The results obtained indicate that stresses can
be used as durability criteria that provide quite
satisfactory description of the material durability
under conditions of low-cycle nonisothermal
loading irrespective of the particular type
of the dominating process of damage accumulation
in the material.
|
| issn |
0556-171X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46593 |
| citation_txt |
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл в условиях теплосмен / А.П. Гопкало // Проблемы прочности. — 2001. — № 3. — С. 57-70. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT gopkaloap pročnostʹidolgovečnostʹkonstrukcionnoistali15h11mfblvusloviâhteplosmen AT gopkaloap strengthanddurabilityofstructuralsteel15kh11mfblunderthermalshockconditions |
| first_indexed |
2025-11-25T22:51:28Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:51:28Z |
| _version_ |
1850574802271600640 |
| fulltext |
УДК 539.4
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл
в условиях теплосмен
А. П. Гопкало
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния различных режимов
термического нагружения на характеристики сопротивления длительному статическому и
циклическому неизотермическому нагружению конструкционной стали 15Х11МФБл приме
нительно к условиям эксплуатации горно-обогатительного оборудования. Эксперименталь
но установлено, что при малоцикловом неизотермическом нагружении в материале проте
кают два процесса накопления повреждений: квазистатический, связанный с направленным
пластическим деформированием, и усталостный - со знакопеременным пластическим де
формированием. Детально исследовано влияние перегревов материала на вид разрушения и
характеристики сопротивления длительному статическому и циклическому неизотерми
ческому нагружению. Показано хорошее соответствие порогового значения параметра,
определяющего смену превалирующих процессов накопления повреждений исследуемой ста
ли, аналогичным значениям параметра для других сталей.
Полученные результаты исследований показывают, что напряжения, используемые в ка
честве критерия долговечности, достаточно удовлетворительно описывают долговечность
в условиях малоциклового неизотермического нагружения независимо от вида развивающе
гося в материале превалирующего процесса накопления повреждений.
К л ю ч е в ы е с л о в а : малоцикловая усталость, длительная прочность, неизо
термические условия, формоизменение, истинная пластичность, напряже
ние, условный предел текучести, долговечность.
О б о з н а ч е н и я
о в - предел прочности
О 0 2 - условный предел текучести
й - относительное удлинение
р - относительное сужение
истинная пластичность материала при ползучести
Ф степень формоизменения образца
ограниченный предел длительной прочности
т / - долговечность материала при испытаниях на длительную прочность
а, Ь, с, к - коэффициенты уравнений
г - коэффициент корреляции
« 1/1 смешанный центральный момент второго порядка
среднеквадратичные отклонения
истинная пластичность материала при испытаниях
на кратковременную статическую прочность и пластичность
© А. П. ГОПКАЛО, 2001
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, N 3 57
А. П. Гопкало
о т п̂ - сжимающие напряжения в цикле при максимальной температуре
термического цикла
N f - долговечность материала при испытаниях на малоцикловую усталость
в неизотермических условиях
2о a - ограниченный предел выносливости (размах напряжений)
А £ in - знакопеременная пластическая деформация за цикл
Введение. В инженерной практике многие детали и элементы конст
рукций подвержены циклическим воздействиям температуры и механичес
ких нагрузок. Вследствие этого в процессе эксплуатации в материале воз
никают необратимые явления, которые способствуют образованию и разви
тию трещин усталости или, наряду с последним, изменению исходной
геометрии (формоизменению). В сфере производства технологические ре
жимы работы оборудования, как правило, характеризуются сохранением
повторяемости циклов воздействия температур и механических нагрузок
(агломерационные и обжиговые машины горно-обогатительного оборудо
вания, горячештамповое оборудование и т.п.). Однако при эксплуатации
подобного рода оборудования ввиду разных причин возможны отклонения
от заданного технологического режима, что приводит к увеличению тепло
вых и механических нагрузок на несущие элементы конструкций.
В настоящей работе экспериментально исследовано влияние уровня
напряжений, времени выдержки, величины максимальной температуры и
формы термического цикла, а также наличия и числа циклов перегревов на
характеристики сопротивления длительному статическому и циклическому
неизотермическому нагружению конструкционной стали 15Х11МФБл при
менительно к условиям эксплуатации горно-обогатительного оборудования.
М етодика исследований. Испытания на кратковременную статическую
прочность и пластичность, на длительную статическую прочность и ползу
честь, а также на малоцикловую усталость в неизотермических условиях
проводили на сплошных цилиндрических образцах с диаметром рабочего
участка 6 мм и длиной рабочей части 18 мм. При испытаниях на стати
ческую прочность и пластичность конструкционной стали использовали
универсальную гидравлическую машину. Нагрев образцов осуществляли в
электрической печи сопротивления. В процессе испытаний записывали диа
граммы деформирования в координатах нагрузка - удлинение образца, при
обработке которых получали характеристики прочности (о 0 2 ; о в) и плас
тичности (б; р ) исследуемой стали.
Характеристики длительной прочности и ползучести стали определяли
в условиях одноосного растяжения. Деформацию при испытании на ползу
честь измеряли с помощью индикатора часового типа. Значения истинной
пластичности £ определяли по излому путем измерения диаметра образца
на инструментальном микроскопе. В этом случае при пересчете измеренной
поперечной деформации образца в продольную использовали зависимость
£ = ln —1— . ( 1)
1 - p (1)
58 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, N 3
Прочность и долговечность конструкционной стали 15ХИМ Ф Бл
Испытания образцов на малоцикловую усталость в неизотермических
условиях проводили на установке, представляющей собой жесткую раму,
внутри которой помещен образец. Величину усилий, возникающих за счет
стеснения тепловой деформации образца, регулировали посредством смен
ных упругих шайб различной жесткости, установленных последовательно с
образцом. В процессе испытаний на двухкоординатном графопостроителе
записывали диаграммы циклического деформирования, отображающие из
менение размаха и асимметрии цикла напряжений, а также циклических и
односторонне накопленных деформаций [1].
При испытаниях на длительную прочность и ползучесть, а также на
малоцикловую усталость в неизотермических условиях нагрев образцов
осуществляли методом прямого пропускания электрического тока, охлаж
дение - естественное, на воздухе. Заданный термический цикл регулировали
и поддерживали с помощью следящей системы автоматического регули
рования, которая позволяет с достаточно высокой точностью воспроизво
дить любой закон изменения температуры (трапецеидальный, треугольный,
синусоидальный и т.п., включая блочный с различной вариацией уровней
максимальной и минимальной температуры в цикле). Температуру измеряли
хромель-алюмелевой термопарой.
Испытания на длительную прочность и ползучесть проводили при
циклическом изменении температуры по трапецеидальному закону с вы
держкой при максимальной температуре цикла. Для всех термоциклов, от
личающихся величиной максимальной температуры, минимальная темпе
ратура цикла составляла 200оС, в то время как максимальная - 600, 650, 700,
800оС и сохранялась постоянной на протяжении одного испытания до разру
шения образца. Длительность цикла составляла 90 с, продолжительность
выдержки при максимальной температуре цикла - 40 с, длительность на
грева - приблизительно 15 с, охлаждения---- 35 с. Скорость нагрева равна
40 град/с, охлаждения - приблизительно 15 град/с.
При испытаниях на малоцикловую усталость в неизотермических усло
виях образцы нагревали по треугольному и трапецеидальному термоциклу с
теми же параметрами, что и при испытаниях на длительную прочность и
ползучесть. При этом предполагалось, что при треугольном температурном
цикле превалирующее развитие получает процесс накопления усталостных
повреждений, а при трапецеидальном - как усталостных повреждений (в
период изменения температуры), так и статических (во время выдержки
материала при максимальной температуре термоцикла). Выдержка при мак
симальной температуре цикла приводила к накоплению в материале стати
ческих повреждений, что вызывало изменение исходной геометрии образца
(формоизменение), и к снижению циклической долговечности по сравнению
с треугольным циклом. Испытания проводили до полного разрушения об
разца, т.е. до разделения его на две части. Возникновение макротрещины
длиной ~ 1 мм фиксировали по моменту резкого падения усилий (по цикли
ческим диаграммам деформирования) и визуально.
Влияние перегревов (отклонений от заданных эксплуатационных тем
пературных циклов) на характеристики сопротивления длительному стати
ческому и циклическому нагружению в неизотермических условиях иссле
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3 59
А. П. Гопкало
довали при программном изменении температуры. Последнее предусмат
ривает циклический нагрев по трапецеидальному циклу 200...650°С с 10-,
20- и 50%-ным содержанием числа циклов нагрева от общего числа циклов
нагрева до разрушения образца по режиму 200...800оС. (Образцы подвер
гались циклическому нагреву по режиму 200...650оС, но каждый 10-, 5- или
2-й цикл имел максимальную температуру 800оС.)
Испытания на малоцикловую усталость в неизотермических условиях
показали, что разрушение происходило либо вследствие накопления уста
лостных повреждений, либо квазистатических, которые достаточно под
робно описаны в работе [2]. Усталостное повреждение характеризуется
зарождением и развитием до критических размеров усталостных трещин.
Квазистатическое повреждение обусловлено процессами ползучести, и раз
рушение происходит по исчерпании исходной пластичности материала. Раз
рушению образца предшествует значительное его формоизменение, степень
которого оценивали по формуле
Ф = d max ~ d min -100%, (2)
d nom
где d max, d min , d nom - соответственно максимальный, минимальный и но
минальный диаметры образца (рис. 1). Если после разрушения степень
формоизменения образца Ф < 5%, то такое разрушение считали усталост
ным, если Ф > 5 % - квазистатическим [2].
а б
Рис. 1. Форма образцов до (а) и после (б) испытаний на малоцикловую усталость в
неизотермических условиях.
Результаты экспериментов и их обсуждение. Данные испытаний ста
ли 15Х11МФБл на кратковременную статическую прочность и пластич
ность представлены в табл. 1 и на рис. 2 .
Анализ результатов испытаний показал, что при температуре 650°С
указанная сталь проявляет аномальную закономерность, заключающуюся в
резком уменьшении характеристик пластичности. При этом сечение из
ломов образцов, испытанных при температуре 650оС, имеет вид эллипса,
что связано, по-видимому, с анизотропией свойств по сечению вследствие
структурных изменений.
60 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 3
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл
Т а б л и ц а 1
Характеристики статической прочности и пластичности исследуемой стали
Т , 0С ов, МПа о0 2, МПа 6,% 'Ф, %
20 720,0 596,0 14,0 34,7
200 608,3 552,0 10,1 30,4
300 595,0 525,6 14,4 38,7
400 540,0 480,0 10,0 27,7
500 432,0 418,3 19,7 59,9
550 383,6 381,6 25,0 66,0
600 278,3 278,0 30,2 74,9
650 217,0 217,0 10,6 42,3
700 152,7 145,7 31,4 83,5
750 107,8 79,1 35,5 80,2
800 78,6 47,3 52,6 94,4
Рис. 2. Зависимость характеристик кратковременной статической прочности и пластичности
стали 15Х11МФБл от температуры испытаний.
В табл. 2 и на рис. 3 приведены результаты испытаний исследуемой
стали на длительную прочность при нагреве по трапецеидальному циклу.
Следует, однако, отметить некоторый разброс данных, который обусловлен,
очевидно, свойствами структуры литого материала.
Полученные зависимости долговечности от напряжений могут быть
описаны уравнением
^ т = Ь 1§ о }г + а./ (3)
Кривые длительной прочности исследуемой стали при нагреве по тра
пецеидальному циклу с максимальной температурой 600, 650 и 700оС с
некоторыми допущениями практически совпадают с аналогичными кри
выми для изотермических условий (рис. 3).
ШБИ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3 61
А. П. Гопкало
Т а б л и ц а 2
Результаты испытаний исследуемой стали на длительную прочность при нагреве
по трапецеидальному циклу при варьировании максимальной температурой
термоцикла
of, МПа
Ю1 ------'---ь..‘■"t 11, 11------ '---L— 1------1---1 ------
10° 101 102 103 Tfr,4
Рис. 3. Кривые длительной прочности стали 15Х11МФБл в неизотермических условиях при
нагреве по трапецеидальному циклу 200...600°С (1 - T =200...600°С; 2 - T =200...650°С; 3 -
T =200...700оС; 4 - T =200...800оС) и в изотермических условиях (5 - T =600оС =const; 6 -
T =650оС = const; 7 - T =700оС = const).
62 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 3
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл
Т а б л и ц а 3
Результаты испытаний стали 15Х11МФБл на длительную прочность
при нагреве по трапецеидальному циклу с перегревами
(200...650°С основной цикл, 200...800°С - циклы перегрева)
СГ//а0>2
----------------- 1---------- ,-------1----- ,----1— | Г Г | ----------------- 1----------1-------1-----1----1 I I I ]------------------Г
1 10 100 1000
т?,ч
Рис. 4. Кривые длительной прочности стали 15Х11МФБл в приведенных координатах
при нагреве по трапецеидальному циклу: 1 - Т =200...600°С; 2 - Т =200...650°С; 3 -
Т =200...700оС; 4 - Т =200...800оС.
ШЗЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3 63
А. П. Гопкало
Представление этих же кривых в приведенных координатах (предел
длительной прочности отнесен к пределу текучести материала при макси
мальной температуре цикла) более наглядно отображает влияние временных
факторов на исчерпание прочностных свойств материала (рис. 4).
Результаты испытаний стали 15Х11МФБл на длительную прочность
при программном варьировании максимальной температурой цикла (табл. 3,
рис. 5) показывают, что наличие 10 или 20% циклов с перегревами практи-
1 3чески одинаково снижает пределы длительной прочности на базе 10 ...10 ч
- в среднем в 2,5 раза. Наличие 50% циклов с перегревами снижает предел
длительной прочности в среднем в три раза. В табл. 3 представлены также
значения коэффициентов уравнения (3) и коэффициента корреляции г, по
лученные при статистической обработке экспериментальных данных мето
дом наименьших квадратов по формуле
г =
т ш
й х ^ S y
(4)
Заметим, что значения характеристик истинной пластичности е с̂Т в
исследованном диапазоне долговечностей не зависят ни от времени до
разрушения, ни от количества перегревов в общем числе теплосмен при
испытаниях на длительную прочность и ползучесть (рис. 6).
Рис. 5. Кривые длительной прочности стали 15Х11МФБл при нагреве по трапецеидальному
циклу: 1 - Т =200...650°С; 2 - Т =200...800°С; 3 - Т =200...650°С + 10% 200...800°С; 4 -
Т =200...650оС + 20% 200...800оС; 5 - Т =200...650оС + 50% 200...800оС.
Исследования характеристик сопротивления малоцикловому неизотер
мическому нагружению показали, что циклическая долговечность иссле
дуемой стали и вид разрушения существенно зависят от величины дейст
64 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл
вующих напряжений, формы температурного цикла и уровня максимальной
температуры испытаний (табл. 4 и рис. 7). Например, сопоставление резуль
татов испытаний на малоцикловую усталость в неизотермических условиях
при нагреве по треугольному и трапецеидальному циклу 200...800°С сви
детельствует о том, что наличие выдержки длительностью 40 с (при равных
других параметрах циклов) в среднем в два раза снижает циклическую
долговечность исследуемой стали. Отличия в наклоне кривых усталости при
нагружении по этим термоциклам указывают на различную чувствитель
ность долговечности к изменению размаха напряжений. Представленные на
рис. 7 результаты могут быть описаны зависимостью
lg N f = b + k (2 a a ), (5)
где k , b - коэффициенты, их значения приведены в табл. 4.
Рис. 6. Изменение истинной пластичности при разрушении образцов из стали 15Х11МФБл в
зависимости от длительности испытаний при нагреве по трапецеидальному циклу: 1 -
Т =200...800оС; 2 - Т =200...650оС + 10% 200...800оС; 3 - Т =200...650оС + 20% 200...800оС;
4 - Т =200...650оС + 50% 200...800оС.
Отметим, что при испытаниях на малоцикловую усталость в неизо
термических условиях независимо от формы температурного цикла в диа
пазоне изменения температуры на протяжении одного цикла 200...650°С и
200...700°С разрушение образцов носило усталостный характер. При этом
отношение сжимающих напряжений в цикле о min, действующих при мак
симальной температуре цикла, к условному пределу текучести о 0 2 , опре
деленному при той же температуре цикла, составляло 0,1...0,34 и не дости
гало пороговых значений 0 ,6 ...0 ,8 , при которых происходит смена превали
рующих процессов повреждения материала (усталостный или квазистати-
ческий) [2]. При испытаниях по режиму 200...800оС разрушение образцов
носило квазистатический характер при о min / о 0 2 = 0 ,6 ...1,1 и усталостный
- при о min / о 0,2 ^ 0 ,6 (рис. 8).
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 3 65
А. П. Гопкало
Т а б л и ц а 4
Результаты испытаний стали 15Х11МФБл на малоцикловую усталость
в неизотермических условиях при нагреве по треугольному и трапецеидальному
циклу
Форма
цикла
2^а >
МПа
̂
и
*
В
Вид
разрушения
к Ь г
Треугольный,
200...650оС
310 55000^ - -228,53 1317,07 0,87
Треугольный,
200...700оС
390
355
348
330
300
267
3056
8135
6532
9217
22156
43258
Усталостное
-286,87 1670,72 0,83
Треугольный,
200...800оС
409 2148 Квазистатическое
-122,76 826,86 0,86
409
345
280
242
200
1388
3973
6354
10471
24981
Усталостное
Трапецеидальный,
200...650оС
380
377
362
343
12148
14521
16134
18248
Усталостное
-366,78 1700,35 0,81
Трапецеидальный,
200...700оС
390
372
354
335
325
300
3924
4536
4135
6241
5247
6148
Усталостное
- 200,00 1060,20 0,85
Трапецеидальный
200...800оС
360
322
310
309
1576
1800
2254
2582
Квазистатическое
-205,00 1005,00 -0,78
265
260
251
229
4243
3621
6603
5344
Усталостное
Заметим, что оценка долговечности исследуемой стали в диапазоне
изменения температуры 200...800оС по величине знакопеременной пласти
ческой деформации за цикл затруднена, так как при испытаниях на мало
цикловую усталость в неизотермических условиях получены как усталост
ные, так и квазистатические виды разрушения. А зависимость Коффина-
Мэнсона ( А е ^ М ^ = с ) описывает долговечность только в случае усталост
ного разрушения. На рис. 9 представлены результаты испытаний на мало
цикловую усталость в неизотермических условиях при нагреве по трапеце
идальному циклу 200...800оС. Видно, что одному и тому же значению
66 №ЗМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл
долговечности соответствуют два значения знакопеременной пластической
деформации за цикл Аегй при различных видах разрушения, хотя оценка
этих результатов по размаху напряжений дает единую кривую усталости (на
рис. 7 кривая 6).
Рис. 7. Кривые малоцикловой усталости стали 15Х11МФБл в неизотермических условиях
при нагреве по треугольному (2, 3, 5) и трапецеидальному (1, 4, 6) циклам: 2, 4 -
Т =200...650оС; 1, 3 - Т =200...700оС; 5, 6 - Т =200...800оС. (Здесь и на рис. 8, 9: светлые
точки - квазистатическое разрушение, темные - усталостное.)
СТтіі/а0,2
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
- - - - - - - - - - - 1- - - - - - - - -
Л
-----1- - - - - 1- - - - 1- - - 1- - - 1— 1 1
А А І
"
□ П Я 2 ■
Л
■ Ч з ■
□
.
: . ■ А А
:
- ▲ г
■
■
і ■ і і і і ■ і 1
1000 10000
Рис. 8. Изменение циклической долговечности стали 15Х11МФБл в зависимости от отно
шения величины минимальных напряжений цикла к пределу текучести материала при
нагреве по треугольному (1) и трапецеидальному (2) циклам 200...800оС.
І88И 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3 67
А. П. Гопкало
Т а б л и ц а 5
Результаты испытаний стали 15Х11МФБл на малоцикловую усталость
в неизотермических условиях при нагреве по трапецеидальному циклу с перегревами
Рис. 9. Изменение циклической долговечности стали 15Х11МФБл при нагреве по трапеце
идальному циклу 200...800°С в зависимости от величины знакопеременной пластической
деформации за цикл.
Данные по влиянию перегревов на циклическую долговечность стали
15Х11МФБл при нагреве по трапецеидальному циклу приведены на рис. 10
и в табл. 5. Можно отметить, что повышение максимальной температуры
цикла с 650оС (кривая 1) до 800оС (кривая 5) снижает циклическую долго
вечность стали в среднем на порядок. С ростом числа циклов перегревов
(200...800оС) в общем числе нормальных циклов (200...650оС) с 10 до 50%
68 ШБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3
Прочность и долговечность конструкционной стали 15Х11МФБл
циклическая долговечность также снижается. Причем это снижение не
пропорционально росту числа циклов перегревов. Так, при наличии 10%
содержания числа циклов перегревов циклическая долговечность умень
шается в среднем в три раза по сравнению с долговечностью стали, опре
деленной при нагреве по трапецеидальному циклу 200...650°С (кривые 1 и
2). Наличие 50% содержания числа циклов перегрева от общего числа
регламентированных циклов приводит к снижению циклической долговеч
ности на порядок. В этом случае кривые усталости для 50 и 100% (термо
цикл 200...800оС) содержания числа циклов перегревов практически совпа
дают (на рис. 10 кривые 4 и 5). Рассмотренные кривые усталости могут быть
описаны зависимостью (5), коэффициенты которой представлены в табл. 5.
2 ста, МПа
Рис. 10. Кривые малоцикловой усталости стали 15Х11МФБл при испытаниях в неизо
термических условиях при нагреве по трапецеидальному циклу (1 - Т =200...650оС; 5 -
Т =200...800оС) и при варьировании числом циклов перегрева (2 - Т =200...650оС + 10%
200...800оС; 3 - Т =200...650оС + 20% 200...800оС; 4 - Т =200...650оС + 50% 200...800оС).
Заключение. Экспериментальные исследования показали, что в усло
виях малоциклового неизотермического нагружения циклическая долговеч
ность и вид разрушения образцов из стали 15Х11МФБл зависят от величины
действующих напряжений, максимальной температуры цикла, его формы и
продолжительности, а также наличия и числа циклов перегрева материала.
При таком нагружении в материале протекают два процесса накопления
повреждений: квазистатический, связанный с направленным пластическим
деформированием, и усталостный - со знакопеременным пластическим де
формированием. Установлено, что вид разрушения исследованной стали
можно определить с помощью отношения сжимающих напряжений в цикле,
действующих при максимальной температуре цикла, к условному пределу
текучести, определенному при той же температуре. Полученные пороговые
значения параметра, определяющие смену превалирующих процессов по
вреждения материала, совпадают с аналогичными значениями для ранее
исследованных сталей [2]. Традиционная оценка долговечности материалов
ШБИ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3 69
А. П. Гопкало
по критерию Коффина-Мэнсона не корректна, так как при этом не учиты
вается влияние квазистатического повреждения.
Исследования влияния перегревов на статическую и циклическую долго
вечность в неизотермических условиях стали 15Х11МФБл свидетельствуют
о том, что с повышением числа высокотемпературных циклов 200...800оС в
общем числе регламентированных циклов 200...650оС долговечность снижа
ется не пропорционально числу циклов перегрева.
Использование напряжений в качестве критерия долговечности позво
ляет достаточно удовлетворительно описывать долговечность в условиях
малоциклового неизотермического нагружения независимо от развивающихся
в материале видов повреждения.
Р е з ю м е
Представлено результати експериментальних досліджень впливу різних ре
жимів термічного навантаження на характеристики опору тривалого статич
ного і циклічного неізотермічного навантаження конструкційної сталі
15Х11МФБл стосовно умов експлуатації гірничо-збагачувального облад
нання. Установлено, що при малоцикловому неізотермічному навантаженні
в матеріалі протікають два процеси накопичення пошкоджень: квазістатич-
ний, зумовлений направленим пластичним деформуванням, і утомний,
зумовлений знакозмінним пластичним деформуванням. Детально дослід
жено вплив перегріву матеріалу на вид руйнування та характеристики опору
тривалому статичному і циклічному неізотермічному навантаженню. По
казано добру відповідність порогового значення параметра, що визначає
зміну механізмів пошкодження досліджуваної сталі, аналогічним значенням
для інших сталей.
Використання напруження як критерію довговічності достатньо задовільно
описує довговічність в умовах малоциклового неізотермічного навантажен
ня незалежно від розвитку в матеріалі виду пошкодження.
1. Синявский Д . П., Г опкало А. П . Исследование термической усталости
хромомолибденовых сталей, применяемых в конструкциях агломера
ционных и обжиговых машин // Пробл. прочности. - 1979. - № 11.
- С. 9 - 11.
2. Трощ енко В. Т., Синявский Д . П., Г опкало А. П . К вопросу о критериях
разрушения металлов в условиях неизотермического нагружения. Со-
общ. 2 // Там же. - 1981. - № 12. - С. 9 - 14.
Поступила 15. 10. 99
70 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3
|