Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении
Рассмотрены результаты экспериментальных исследований закономерностей деформирования и кинетики накопления повреждений в теплостойкой реакторной стали при высоких уровнях напряжений в условиях мягкого (отнулевого) малоциклового нагружения до 10^4 цикл. Проведены измерения твердости при различных сте...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48253 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении / А.А. Лебедев, И.В. Маковецкий, Н.Р. Музыка, В.П. Швец // Проблемы прочности. — 2008. — № 2. — С. 5-10. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859593997591248896 |
|---|---|
| author | Лебедев, А.А. Маковецкий, И.В. Музыка, Н.Р. Швец, В.П. |
| author_facet | Лебедев, А.А. Маковецкий, И.В. Музыка, Н.Р. Швец, В.П. |
| citation_txt | Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении / А.А. Лебедев, И.В. Маковецкий, Н.Р. Музыка, В.П. Швец // Проблемы прочности. — 2008. — № 2. — С. 5-10. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Рассмотрены результаты экспериментальных исследований закономерностей деформирования и кинетики накопления повреждений в теплостойкой реакторной стали при высоких уровнях напряжений в условиях мягкого (отнулевого) малоциклового нагружения до 10^4 цикл. Проведены измерения твердости при различных степенях наработки на стадии упругопластического деформирования. Установлен качественно различный характер изменения твердости и прочности стали в процессе наработки. С помощью метода LM-твердости исследован процесс накопления повреждений в сталях при статическом и циклическом нагружении. Приведены кривые зависимости коэффициента гомогенности по Вейбуллу от напряжений цитирования и накопленной деформации.
Розглянуто результати експериментальних досліджень закономірностей деформування та кінетики накопичення пошкоджень у теплостійкій реактор- ній сталі при високих рівнях напружень в умовах м’якого (віднульовий) малоциклового навантаження до 10^4 цикл. Проведено вимірювання твердості за різних ступенів напрацювання на стадії пружно-пластичного деформування. Установлено якісно різний характер зміни твердості і міцності сталі в процесі напрацювання. За допомогою методу LM-твердості досліджено процес накопичення пошкоджень у сталях за статичного та циклічного навантаження. Наведено криві залежності коефіцієнта гомогенності за Вейбуллом від напружень циклування і деформації, що накопичується.
We discuss results of experimental studies of deformation patterns and damage accumulation kinetics in heat-resistant reactor steel under lowcycle stress-controlled loading conditions with zero-to-tension stress cycle, high-stress levels and fatigue lives up to 10 cycles. At elastoplastic deformation stage, hardness measurements were made corresponding to different numbers of cycles. Qualitatively different characters of the steel hardness and strength variations through the operating time have been established. Using the LM-hardness method, we studied the process of damage accumulation in steels under static and cyclic loadings. The dependences of the homogeneity factor by Weibull from cycling stress and accumulated strain levels are studied.
|
| first_indexed | 2025-11-27T18:04:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
Н А У Ч Н О - Т Е Х Н И Ч Е С К И Й
Р А З Д Е Л
УДК 620.178.15/179.119
И сследование процессов деформирования и накопления
повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении
А. А. Лебедев, И. В. Маковецкий, Н. Р. Музыка, В. П. Швец
Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Рассмотрены результаты экспериментальных исследований закономерностей деформиро
вания и кинетики накопления повреждений в теплостойкой реакторной стали при высоких
уровнях напряжений в условиях мягкого (отнулевого) малоциклового нагружения до 104 цикл.
Проведены измерения твердости при различных степенях наработки на стадии упруго
пластического деформирования. Установлен качественно различный характер изменения
твердости и прочности стали в процессе наработки. С помощью метода ЬЫ-твердости
исследован процесс накопления повреждений в сталях при статическом и циклическом
нагружении. Приведены кривые зависимости коэффициента гомогенности по Вейбуллу от
напряжений цитирования и накопленной деформации.
К л ю ч е в ы е с л о в а : статическая прочность, усталость, напряжения, деформа
ция, твердость, рассеяние свойств, поврежденность.
Введение. В работах [1-3] описан метод ЬМ-твердости, позволяющий
без разрушения материала оценивать его поврежденность по рассеянию
характеристик твердости. Высокая достоверность метода, доступность и
простота подтверждены данными массовых испытаний (25-30 измерений)
материалов после наработки в условиях статического, в том числе длитель
ного нагружения.
Первый опыт использования метода ЬМ-твердости при циклическом
нагружении описан в работе [2 ], где приведены результаты испытания
трубной стали 17Г1С в исходном состоянии и после наработки в условиях
знакопеременного изгиба до разрушения при о и = 37 МПа и N = 0,57 • 10
цикл и без разрушения при о и = 28 МПа и N = 10 цикл.
Результаты исследования свидетельствуют, что, как и в случае статичес
кого нагружения, при работе в условиях переменных напряжений твердость
в процессе наработки изменяется незначительно. В то же время изменения
коэффициента т гомогенности Вейбулла (характеристика рассеяния значе
ний твердости) существенны, а характер этих изменений свидетельствует о
том, что процесс накопления повреждений в основном определяется уров
нем напряжений. Так, при напряжении о и = 37 МПа он протекает значи
тельно интенсивнее, и к моменту разрушения коэффициент гомогенности
снижается почти до половины исходного, при напряжении о и = 28 МПа его
© А. А. Л ЕБ ЕД ЕВ , И. В. М А К О В ЕЦ К И Й , Н. Р. М У ЗЫ К А , В. П. Ш В ЕЦ , 2008
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 5
A. A. Лебедев, И. В. Маковецкий, H. Р. Музыка, В. П. Швец
п
изменение составило не более 10%, хотя материал был подвержен 10 цикл
нагружения и не разрушился.
Результаты большей части экспериментальных работ по малоцикловой
усталости получены при жестких режимах нагружения, когда направленного
накопления пластических деформаций не происходит и, следовательно, не
реализуются процессы накопления повреждений по деформационно-кинети
ческому механизму. Роль деформации, как одной из важных кинематических
характеристик этого процесса, хорошо прослеживается при мягком нагру
жении, когда интенсивность развития деформаций, т.е. скорость их роста,
сравнительно велика [4]. Благодаря этому уже на первой стадии циклиро-
вания происходит адаптация материала к режиму нагружения, сопровож
даемая перестроением структуры материала с интенсивным ростом его
поврежденности и часто с переходом структуры в равновесное состояние,
когда скорости упрочнения и разупрочнения практически одинаковы. По
этому для учета особенностей фрагментации структуры на разных стадиях
наработки в расчетах на долговечность в условиях циклической ползучести
в качестве параметра свойств материала наряду со скоростью установив
шейся ползучести используют интенсивность мгновенной пластической де
формации в течение первого полуцикла, которая является особенно важной
кинематической характеристикой процесса накопления повреждений при
отнулевом циклическом нагружении [4, 5].
Исследуемые м атериалы и методика испытаний. В настоящей работе
рассмотрены результаты исследований процесса деформирования и кине
тики накопления повреждений в теплостойкой стали 10ГН2МФА под воздей
ствием мягкого (отнулевого) нагружения при высоких уровнях напряжений.
Сталь (две плавки) подвергали термомеханической обработке, включающей
ковку при температуре 850...1220oC, промежуточный отжиг (только заготов
ки первой плавки), закалку в воду (температура 890...9600C), отпуск при
температуре 630...6800C с охлаждением на воздухе.
Анализ микроструктуры стали показывает, что она представляет собой
феррит с упрочняющей карбидной фазой (рис. 1). Выделение карбидов
произошло по кристаллографическим плоскостям, в основном в крупных
зернах, и может быть связано с перегревом металла при ковке. Этот эффект
сильнее выражается в стали первой плавки. Из сравнения структур следует,
что их различие, по-видимому, обусловлено термообработкой заготовок из
стали второй плавки, включающей промежуточный отжиг, который спо
собствовал повышению ее однородности и уменьшению размеров зерен.
Испытания проводили по ранее разработанной методике [6 ] на машине
TF-2 (Венгрия), снабженной устройством для реализации малоциклового
нагружения образцов осевой силой по трапецеидальному отнулевому циклу
с частотой 20 цикл/мин с выдержкой под нагрузкой и в разгруженном
состоянии в течение 1 с. С целью сокращения времени испытаний исполь
зовали трехступенчатые образцы с разными площадями поперечного сече
ния ступеней, что позволяло реализовать на одном образце три уровня
напряжений за одно испытание (рис. 2 ).
Твердость стали (по Виккерсу) на каждой ступени деформированного
образца измеряли портативным твердомером производства фирмы “ERNST”
6 ISSN 0556-171X. Проблемыг прочности, 2008, № 2
Исследование процессов деформирования
(Швейцария), снабженным автоматической системой обработки опытных
данных с выводом значений твердости на дисплей. Это позволяло исклю
чить влияние субъективных ошибок оператора на результаты измерений.
Шероховатость рабочих поверхностей подготовленного к испытаниям
образца соответствовала требованиям по эксплуатации прибора (Я а = 1 мкм).
Параметр рассеяния значений твердости - коэффициент т гомогенности
Вейбулла рассчитывали по результатам 30 измерений по методике Гумбеля
[2, 3].
Рис. 1. Микроструктура стали: а - первая плавка; б - вторая плавка (Х200).
хги~1̂
й?
ОМ ооч>
&
-
2° 30 3° 30
130
Рис. 2. Трехступенчатый образец для испытаний.
О механических свойствах стали 10ГН2МФА (первая плавка) при ста
тическом однократном нагружении можно судить по диаграмме растяжения,
приведенной на рис. 3 сплошной линией. Характеристики кратковременной
прочности этой стали (о'02 = 480 МПа, о'в = 610 МПа) оказались незначи
тельно ниже таковых стали второй плавки, особенно по пределу текучести
(о'0 2 = 510 МПа, о'в = 622 МПа). Ниспадающий участок диаграммы на рис. 3
не показан, поскольку деформационные свойства стали обеих плавок прак
тически одинаковые. Их максимальные деформации находятся в пределах
обычного разброса и составляют 24...28%.
Характер изменения твердости стали в зависимости от наработки пока
зан на рис. 3 штриховыми линиями 1, 2 , 3, циклические диаграммы 2
( N = 3918 цикл, образец разрушился) и 3 ( N = 104 цикл) - штрихпунктир-
ными. Как видно, кривые Н У — £ при циклическом отнулевом и стати
ческом нагружении подобны. Аналогичное подобие наблюдается также
между циклическими диаграммами 2, 3 и кривой деформации 1 при стати
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 7
А. А. Лебедев, И. В. Маковецкий, Н. Р. Музыка, В. П. Швец
ческом растяжении (рис. 3). Это свидетельствует о возможности их совме
щения путем простого перемещения в направлении координатных осей, т.е.
о наличии между ними соответствующих корреляций, позволяющих прогно
зировать свойства материала при циклическом отнулевом нагружении на
разные сроки наработки по результатам статических испытаний.
Рис. 3. Результаты испытаний стали 10ГН2МФА (первая плавка) при статическом (1) и
циклическом (2, 3) (2 - N = 3918 цикл, образец разрушился; 3 - N = 104 цикл) нагружении.
Обращает на себя внимание тот факт, что при наличии отмеченного
выше подобия кривые Н У — £ при циклическом нагружении (на рис. 3
штриховые линии 2 и 3) располагаются выше аналогичной кривой при
статическом растяжении (штриховая линия 1), а соответствующие цикли
ческие диаграммы (штрихпунктирные линии 2 и 3) - ниже кривой стати
ческого растяжения (сплошная линия 1). Это указывает на то, что исследу
емая сталь является циклически упрочняющейся по твердости и циклически
разупрочняющейся по прочности. Отмеченная неадекватность, не согласу
ющаяся с известными моделями, в соответствии с которыми твердость
металлических материалов, имеющих качественно одинаковые корреляции с
характеристиками их статической и циклической прочности, связана, оче
видно, с различием в процессах изменения параметров структуры на микро-
и макроуровнях, которые контролируют твердость и прочность стали при
статическом и малоцикловом нагружении.
Из рис. 3 также следует, что твердость стали в процессе циклического
нагружения изменяется не существенно. Как отмечалось ранее [2], более
чувствительным к наработке является коэффициент т гомогенности Вей-
булла. Соответствующие данные, полученные на основе рассматриваемых
опытов и подтверждающие это, приведены на рис. 4, где показаны зави
симости коэффициента т от накопленных деформаций при статическом и
циклическом нагружении. Зависимости в первом приближении можно счи
тать линейными как при статическом, так и при циклическом (отнулевом)
нагружении.
Влияние уровня максимальных напряжений цикла на величину коэф
фициента гомогенности при разных наработках иллюстрирует рис. 5. Отме
тим, что предельные значения коэффициента гомогенности, при которых
8 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
Исследование процессов деформирования
происходит разрушение в условиях статического нагружения (на рис. 5
кривая I) и при наработке 3918 цикл (кривая II), одинаковые и равны
половине соответствующих значений коэффициента гомогенности для стали
в исходном состоянии. Представляет интерес то, что такое же соотношение
значений коэффициентов гомогенности, а следовательно, и степеней повреж-
денности в исходном состоянии и при разрушении в условиях циклического
нагружения имело место для трубной стали 17Г1С [2].
Рис. 4. Зависимость коэффициента т от накопленной деформации. Здесь и на рис. 5: I -
статическое растяжение (для разных образцов); II - циклическое нагружение до N = 3918
цикл; III - циклические нагружения до N = 10 цикл (для разных образцов).
Рис. 5. Зависимость коэффициента т от уровня приложенных напряжений.
Результаты испытаний стали 10ГН2МФА второй плавки качественно
совпадают с описанными выше.
Заключение. Получены новые данные о процессах деформирования и
накопления повреждений в теплостойкой стали при высоких уровнях напря
жений в условиях отнулевого малоциклового нагружения. Показано, что
исследованная сталь является циклически упрочняющейся по твердости и
циклически разупрочняющейся по прочности. Установленная неадекватность
поведения стали указывает на необходимость внесения корректив в извест
ные модели, рекомендуемые для определения характеристик статической и
циклической прочности материала по его твердости. Подтверждена высокая
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2 9
А. А. Лебедев, И. В. Маковецкий, Н. Р. Музыка, В. П. Швец
чувствительность коэффициента гомогенности Вейбулла к уровню накоплен
ных повреждений в процессе наработки в условиях циклического нагру
жения. Установлена практически линейная зависимость этого коэффициента
от накопленной деформации при статическом и циклическом нагружении.
Р е з ю м е
Розглянуто результати експериментальних досліджень закономірностей де
формування та кінетики накопичення пошкоджень у теплостійкій реактор-
ній сталі при високих рівнях напружень в умовах м ’якого (віднульовий)
малоциклового навантаження до 104 цикл. Проведено вимірювання твер
дості за різних ступенів напрацювання на стадії пружно-пластичного дефор
мування. Установлено якісно різний характер зміни твердості і міцності
сталі в процесі напрацювання. За допомогою методу ЬМ-твердості дослід
жено процес накопичення пошкоджень у сталях за статичного та циклічного
навантаження. Наведено криві залежності коефіцієнта гомогенності за Вей-
буллом від напружень циклування і деформації, що накопичується.
1. П ат ент № 52107А , МКИ 7 в О Ш 3/00, в О Ш 3/40. Україна. Спосіб
оцінки деградації матеріалу внаслідок накопичення пошкоджень в про
цесі напрацювання, “ЬМ-метод твердості” / А. О. Лебедев, М. Р. Музи
ка, Н. Л. Волчек. - Опубл. 15.01.2003. Бюл. № 1.
2. Л е б е д е в А. А ., М узы к а Н. Р ., В олчек Н. Л . Определение поврежденности
конструкционных материалов по параметрам рассеяния характеристик
твердости // Пробл. прочности. - 2002. - № 4. - С. 5 - 12.
3. П ат ент № 4 8 0 6 , МКИ 7 в О Ш 3/00, в О Ш 3/40. Україна. Спосіб
оцінки деградації матеріалу / А. О. Лебедев, М. Р. Музика. - Опубл.
17.01.2005. Бюл. № 1.
4. С т риж ало В. А . О взаимосвязи процессов деформирования и разру
шения материалов при циклическом нагружении // Пробл. прочности. -
1980. - № 10. - С. 44 - 47.
5. Л е б е д е в А. А ., Р уд ен к о В. Н ., С п иваков А. С. и др . Влияние механи
ческой тренировки на ресурс прочности и пластичности конструкцион
ных материалов / Под ред. А. А. Лебедева. - Киев: Наук. думка, 1978. -
68 с.
6 . Л е б е д е в А. А ., М узы к а Н, Р ., В олчек Н. Л . Новый метод оценки де
градации материала в процессе наработки // Залізничний транспорт
України. - 2003. - № 5. - С. 30 - 33.
Поступила 04. 05. 2007
10 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 2
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48253 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T18:04:02Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лебедев, А.А. Маковецкий, И.В. Музыка, Н.Р. Швец, В.П. 2013-08-17T12:15:41Z 2013-08-17T12:15:41Z 2008 Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении / А.А. Лебедев, И.В. Маковецкий, Н.Р. Музыка, В.П. Швец // Проблемы прочности. — 2008. — № 2. — С. 5-10. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48253 620.178.15/179.119 Рассмотрены результаты экспериментальных исследований закономерностей деформирования и кинетики накопления повреждений в теплостойкой реакторной стали при высоких уровнях напряжений в условиях мягкого (отнулевого) малоциклового нагружения до 10^4 цикл. Проведены измерения твердости при различных степенях наработки на стадии упругопластического деформирования. Установлен качественно различный характер изменения твердости и прочности стали в процессе наработки. С помощью метода LM-твердости исследован процесс накопления повреждений в сталях при статическом и циклическом нагружении. Приведены кривые зависимости коэффициента гомогенности по Вейбуллу от напряжений цитирования и накопленной деформации. Розглянуто результати експериментальних досліджень закономірностей деформування та кінетики накопичення пошкоджень у теплостійкій реактор- ній сталі при високих рівнях напружень в умовах м’якого (віднульовий) малоциклового навантаження до 10^4 цикл. Проведено вимірювання твердості за різних ступенів напрацювання на стадії пружно-пластичного деформування. Установлено якісно різний характер зміни твердості і міцності сталі в процесі напрацювання. За допомогою методу LM-твердості досліджено процес накопичення пошкоджень у сталях за статичного та циклічного навантаження. Наведено криві залежності коефіцієнта гомогенності за Вейбуллом від напружень циклування і деформації, що накопичується. We discuss results of experimental studies of deformation patterns and damage accumulation kinetics in heat-resistant reactor steel under lowcycle stress-controlled loading conditions with zero-to-tension stress cycle, high-stress levels and fatigue lives up to 10 cycles. At elastoplastic deformation stage, hardness measurements were made corresponding to different numbers of cycles. Qualitatively different characters of the steel hardness and strength variations through the operating time have been established. Using the LM-hardness method, we studied the process of damage accumulation in steels under static and cyclic loadings. The dependences of the homogeneity factor by Weibull from cycling stress and accumulated strain levels are studied. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении Study of deformation and damage accumulation processes in steel 10GN2MFA under low-cycle loading Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении Лебедев, А.А. Маковецкий, И.В. Музыка, Н.Р. Швец, В.П. Научно-технический раздел |
| title | Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении |
| title_alt | Study of deformation and damage accumulation processes in steel 10GN2MFA under low-cycle loading |
| title_full | Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении |
| title_fullStr | Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении |
| title_full_unstemmed | Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении |
| title_short | Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении |
| title_sort | исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10гн2мфа при малоцикловом нагружении |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48253 |
| work_keys_str_mv | AT lebedevaa issledovanieprocessovdeformirovaniâinakopleniâpovreždeniivstali10gn2mfaprimalociklovomnagruženii AT makoveckiiiv issledovanieprocessovdeformirovaniâinakopleniâpovreždeniivstali10gn2mfaprimalociklovomnagruženii AT muzykanr issledovanieprocessovdeformirovaniâinakopleniâpovreždeniivstali10gn2mfaprimalociklovomnagruženii AT švecvp issledovanieprocessovdeformirovaniâinakopleniâpovreždeniivstali10gn2mfaprimalociklovomnagruženii AT lebedevaa studyofdeformationanddamageaccumulationprocessesinsteel10gn2mfaunderlowcycleloading AT makoveckiiiv studyofdeformationanddamageaccumulationprocessesinsteel10gn2mfaunderlowcycleloading AT muzykanr studyofdeformationanddamageaccumulationprocessesinsteel10gn2mfaunderlowcycleloading AT švecvp studyofdeformationanddamageaccumulationprocessesinsteel10gn2mfaunderlowcycleloading |