В процессе эксплуатации изменения нагрузки и температуры во времени нередко имеют циклический характер. Испытания материалов до разрушения в условиях многократно повторяющихся циклов измене­ния температуры и нагрузки обычно называют программными, и они представляют собой большую самостоятельную область исследований. В настоящем параграфе рассмотрены лишь примеры, связанные с технологией изготовления сварных конструкций, когда необходимо проводить испытания по заданной программе нагружения в условиях изменяющихся температур. Наиболее типичными случаями являются:

1. Определение напряженного состояния, возникающего в про­цессе сварки или в процессе нагрева, выдержки и остывания сварной конструкции во время ее отпуска.

2. Определение конструкционно-технологической прочности элементов сварных конструкций.

В первом случае определяют способность металла сопротивляться протеканию пластических деформаций. Здесь, по существу, речь идет об экспериментальном определении связи между деформациями и напряжениями в металле в условиях изменяющихся температур.

Во втором случае должна быть определена сопротивляемость металла разрушению в конкретных условиях изменения температуры и деформации, которые возникают в элементе конструкции во время ее изготовления, например в процессе сварки или термической обра­ботки.

Определение сопротивляемости металла деформированию. Для

последующего использования получаемых данных в расчетах напряжен­ного состояния целесообразно соблюдать ряд требований:

а) иметь в образце однородное напряженно-деформированное состояние или с незначительной степенью неоднородности;

б) температурная деформация (а также деформация от структурных превращений) не должна влиять на точность реализации задаваемых Деформаций или напряжений;

в) схема напряженного и деформированного состояния в образце должна быть такой, чтобы от нее можно было перейти к обобщенным характеристикам напряженного состояния, от которых зависит протека­ние пластических деформаций, например к интенсивности напряжений о, и интенсивности деформаций

Таким требованиям отвечает тонкостенный образец в виде круглой трубки, нагружаемой крутящим моментом. Если отношение внутреннего и наружного диаметров близко к 1, то соблюдается требование однород­ности напряженного состояния. В отличие от испытаний на растяжение или сжатие температурная деформация не влияет на угол закручивания образца, поэтому программа задаваемой деформации может осуществ­ляться путем измерения угла закручивания. Достаточно просто можно перейти от касательного напряжения т к о(., а по углу закручивания образца — определить г1, что отвечает одному из перечисленных выше требований.

Для программного нагружения кручением в МГТУ им. Баумана спроектирована и опробована установка, изготовленная в Екатеринбурге заводом института ЦНИИМ. Образец располагается вертикально; верхним концом он закреплен в тяге, к которой подводится крутящий момент через редуктор от привода, оснащенного двигателем с перемен­ным числом оборотов. Нижний конец образца присоединен к тяге, которая передает прикладываемый к образцу крутящий момент на колесо с двумя гибкими тросиками, присоединенными к динамометрам. По уровню воспринимаемой динамометром силы можно определить крутящий момент, а значит, и напряжение в образце.

Угол закручивания (деформации сдвига у) определяют по относи­тельному повороту двух удлинителей, которые приварены к концам образца На удлинителях закреплены ползун и проволочный реохорд, что обеспечивает считывание и запись интенсивности деформаций гг

Нагрев образца осуществляется специальной печью, обеспечиваю­щей скорость нагрева до 40 К/мин. Максимальная температура до 1100 "С. Охлаждение образца происходит либо естественным путем после выключения печи, либо с использованием продувки воздуха через трубчатый образец.

Программы изменения деформации и температуры во времени вводят с помощью двух приборов РУ5-01М, на бумажной ленте которых наносят черные линии, задающие характер и уровень изменения деформации и температуры.

В зависимости от целевого назначения испытания деформирование (кручение) образца можно осуществлять, изменяя по программе либо деформацию є,., либо напряжение of. Второй параметр (о,, или є(.) регистрируют в процессе испытания. Различные случаи использования этого метода испытаний для определения механических свойств металла изложены в §5.4. Там’ же даны рекомендации по обработке эксперимен­тальных данных.

Описанная выше установка позволяет также получать дилато — грамму путем регистрации длины образца в функции температуры. В отличие от обычного дилатометра, можно, во-первых, температуру изменять по сложному закону, а во-вторых, определять влияние напря­жений и деформаций на изменение дилатации образца, в особенности во время структурных превращений. Сопротивление металла деформа­ции может быть определено и при конкретной температуре после определенного термического цикла, предшествующего моменту испыта­ний. Известно, что непосредственно после структурного превращения, например мартенситного, металл не обладает тем высоким пределом текучести, который он приобретает спустя некоторое время. В свеже­закаленном состоянии металл имеет относительно невысокий предел текучести и низкое сопротивление ползучести. Если в установке задать определеный термический цикл и в заданный момент этого цикла провести закручивание образца, то будет получена диаграмма в коорди­натах о, — е, и найден предел текучести после определенного терми­ческого цикла.

В качестве примеров на рис. 12.5.1 представлены данные по стали 15Х2НМФА, а на рис. 12.5.2 по стали 20ХНЗМ как на стадии нагрева, так и охлаждения, полученные совместно с А. А.Павловичем. Модуль упругости G одинаков для ветвей нагрева и охлаждения, в то время как предел текучести различен. Скорости охлаждения соответствовали электрошлаковым термическим циклам.

Рис.12.5.1. Свойства стали 15Х2НМФА

t.5

т

Определение сопротивляемости сварных соединений разрушению,

Следует различать две существенно различающиеся группы испытаний.

1. Определение сопротивляемости сварных соединений появлению трещин в бездефектном сварном соединении.

2. Определение сопротивляемости сварных соединений началу развития разрушения от имеющихся макродефектов.

По первому нацравлению накоплен значительный опыт в опре­делении технологической прочности сварных соединений при образо­вании в них так называемых горячих (кристаллизационных) и холодных (закалочных) трещин [178, 255).

Ввиду чрезвычайной сложности моделирования в металле комп­лекса металлургических, термических и металлофизических процессов,

типичных для сварного соединения, эту группу факторов, как правило, воспроизводят путем сварки реального соединения.

Иногда полагают, что достаточную полноту воспроизведения механического фактора обеспечивает близость размеров образца и реального изделия. Наряду с этим значительное развитие получили испытания, в которых механический фактор задается испытательной машиной [178]. При испытании на горячие трещины задавали различ­ные скорости перемещения захватов, а при испытании на холодные трещины — различные уровни приложенных напряжений. В действи­тельности все эти способы нагружения являются весьма приближен­ными. Представляется, что термин "испытание на технологическую прочность” в целом правильно отражает сущность используемых методов испытаний, в то время как термин “конструкционно-техноло­гическая прочность” мог бы отвечать испытаниям, в которых программа изменения механического фактора во времени воспроизводилась бы с достаточной точностью и соответствовала тому, что происходит в конкретной свариваемой детали. При таком испытании температура выступает как фактор условий окружающей среды и как нагружающий фактор, вызывающий напряжения.

Многие виды испытаний предназначены для оценки влияния одного главного фактора. Например, испытания при комнатных темпе­ратурах выявляют действие механического фактора; при испытании на холодные трещины на первый план выдвигают структурный фактор, в то время как напряженное состояние детали и его изменения учитывают лишь частично; при испытании на ползучесть и длительную прочность анализируют уровень температуры и продолжительность ее действия.

Процесс изготовления детали на стадии сварки и термической обработки дает, пожалуй, один из наиболее сложных примеров совмест­ного влияния всех факторов — механического, структурного, термичес­кого и времени. Здесь участвуют как конструкционные элементы — форма детали, вид напряженного состояния, так и технологические — последовательность и характер термического воздействия, свойства металла и т. п.

Назовем испытанием на конструкционно-технологическую трещи — ностойкость (КТ’Г) такой ввд испытания, при котором воспроизводится влияние всех факторов механического, структурного, термического и времени с учетом конструкционных и технологических особенностей их проявления.

Испытание на КТТ относится главным образом к случаю наличия в изготавливаемой детали трещиноподобного дефекта, который может начать развиваться (расти) под действием различных факторов. Мерой Трещикостойкости детали или узла для конкретной совокупности конструкционных и технологических условий является размер трещины, при котором она начинает расти при наиболее неблагоприятном расположении ее плоскости по отношению к главным осям напряжений и деформаций. Рассматриваются трещины умеренного размера (не более десятков миллиметров), которые могут быть в отдельных частях детали или сварного соединения. Это позволяет считать, что вся трещина находится в пределах такого объема, в котором при отсутствии трещины все точки имели бы одинаковое (однородное) напряженно-деформиро­ванное состояние. Под размером трещины понимается либо диаметр дисковой трещины, либо меньший из размеров прямоугольной трещи­ны, имеющей в другом направлении неограниченную протяженность. Чем больше критический размер трещины, при котором она начинает расти, тем выше трещиностойкость детали.

Действие механического фактора воспроизводится в образце через локальное перемещение D (§4.3). Чем больше размер предполагаемого дефекта, тем при прочих равных условиях будет больше значение D у вершины трещины. Значение D не может быть непосредственно измере­но, а только вычислено с применением МКЭ по перемещениям частей образца. Поэтому испытание на КТТ может быть организовано только при использовании вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения для решения упругопластических задач. Процедура определения значений D, которые нужно воспроизводить в образце, следующая.

После вычисления изменяющегося во времени напряженно- деформированного состояния в детали в предположении, что нет никаких дефектов, в ней выявляют несколько мест, которые по эксперт­ной оценке исследователя являются опасными. В каждом из них рассматривают некоторый объем металла либо в виде цилиндра с дисковой трещиной, либо в виде параллелепипеда. Предполагают, что в этом объеме имеется трещина длиной /, расположенная нормально по отношению к оси, вдоль которой наблюдаются наибольшие деформа­ции (напряжения). Размер / должен быть мал по сравнению с размерами выделенного объема. Постановка испытаний образцов больших разме­ров с разными длинами трещин ограничивается мощностью испытатель­ного оборудования. Более просто испытания вести на компактных образцах одного и того же размера с одинаковой длиной трещины, нагружая их путем изгиба и создавая разные по значению углы пово­рота, соответствующие различным длинам трещин /. По известным из решения для сплошного тела деформациям выделенного объема, считая, что они не изменяются от наличия малой трещины, производят расчет перемещения D у вершины трещины.

Если положение главных осей меняется И имеются СДВИГИ у]2, Ї23> у31, то их также учитывают при выполнении решения для выделенного объема с трещиной.

В зависимости от’значения / при тех же самых значениях е2, е3 уровень D будет различен. Задачу решают для нескольких /, которые

моїуг оказаться критическими. Из компонент локального перемещения (см. §4-3) практически в настоящее время в испытаниях может быть воспроизведено только Du. Наиболее просто воспроизводить найденное значение Du на изгибных образцах (рис. 12.5.3). Проконтролировать во время испытаний точность воспроизведения Du на базе 1 мм пока не представляется возможным. Поэтому приходится находить в образце на изгиб такие перемещения точек образца, которые относительно легко регистрировать во время испытаний, например перемещения точек А и В (рис.12.5.3). Для задания программы нужно выполнить еще одно численное решение для изгибного образца конкретных размеров, из которого установить соотношение между регистрируемым перемеще­нием и Du.

Из решения будут найдены такие перемещения, которые обеспечат совпадение во времени значений Dn у трещины в выделенном объеме и в изгибном образце. Все численные решения должны проводиться в рамках одной и той же механической модели тела в части развития пластических деформаций, ползучести, упрочнения металла и т. п., по возможности более близкой к фактическому поведению материала в эксперименте.

Контрольным признаком соответствия механической модели тела тому, что принято в расчете, может служить степень совпадения фактического изгибающего момента в образце при проведении испыта­ний с вычисленным моментом.

Действие термического фактора воспроизводится путем изменения температуры образца в соответствии с изменением температуры выбран­ного места в детали. Если речь идет о медленно изменяющихся темпера­турах, как, например, при электрошлаковой сварке, то достаточно воспользоваться печным нагревом. При необходимости получать более быстрые нагревы и охлаждения можно печной нагрев дополнять нагревом образца проходящим током. Соответственно на рис. 12.5.3

представлены два образца — первый, который вставлен в пазы захватов (рис. 12.5.3,с), и второй, который приварен к удлинителям силовых захватов (рис. 12.5.3,6).

Воспроизведение структурного фактора достигается за счет соот­ветствия состава материала, изменения температуры и деформации у вершины трещины в образце и в исследуемой зоне детали.

Испытание на КТТ в зависимости от различного сочетания действий термического, структурного и механического факторов может давать разрушения смешанного вида, например, как по причине ползу­чести, так и по причине образования холодных трещин. Это является положительной стороной такого вида испытаний, поскольку оно сначала выявляет сам факт возможного разрушения, а лишь затем требует изучения условий его происхождения для установления причин, вызвавших его появление.

Возможно испытание на КТТ образцов с дефектами, отличными от трещин, а также бездефектного материала. Из двух параметров, доступных для регистрации — перемещения частей образца и изгибаю­щего момента, программу нагружения следует задавать по тому, который может быть более точно определен из предварительного расчета.

Для деталей, разрушение которых возможно под влиянием собст­венных (температурных и структурных) деформаций и напряжений, задаваемым параметром должна быть, как правило, деформация. В отношении элементов конструкций, которые испытывают вполне определенные силовые воздействия, например давление или вес. деформации трудно точно определить из-за ползучести металла, и задаваемым параметром должен быть изгибающий момент.

В тех случаях, когда в образце в ходе испытания растет трещина и жесткость образца меняется по сравнению с расчетной схемой, постановка исследований и обработка результатов должны предусмат­ривать следующие элементы. Во-первых, должна быть предусмотрена возможность регистрации скорости роста трещины прямым путем, а не посредством тарировки жесткости образца, так как не исключено влияние ползучести металла при продвижении трещины на жесткость образца. Во-вторых, вне зависимости от того, задана ли программа нагружения образца в виде перемещения или в виде изгибающего момента, должны регистрироваться фактические значения осуществляе­мых во времени перемещений и момента. Результаты испытаний могут быть представлены в виде графика зависимости скорости как от К, так и от D.

Для проведения испытаний при высоких температурах в МГТУ им. Баумана была разработана установка, представленная на рис. 12.5.4 .[125]. Основным видом образца для этих испытаний является образец (рис. 12.5.3,с), имеющий выступы для передачи изгибающего момента от рычагов 2 (рис. 12.5.4), изготовленных из жаропрочного сплава.

Другим видом образца может быть образец 1 в виде бруса (рис. 12.5.4). Рычаги 2 соединены шарнирно с гайками, имеющими правую и левую резьбу, которые могут перемещаться вдоль оси ходового винта (винт не показан). Для измерения деформаций образца в нем закреплены две тяги, которые на нижних холодных концах имеют датчик перемещений 3 индукционного типа. Для определения возникающего в образце изгибающего момента предусмотрено силоизмерительное устройство 4. Образец помещен в печь 5, состоящую из двух половин. Максимальная температура нагрева образца в печи 1100 "С. Имеется дополнительная печь с контролируемой атмосферой, в котсрой образцы мшут проходить высокотемпературную (до 1300 ’С) термическую подготовку, например термический цикл сварки, без контакта с воздухом, а затем перено­ситься при более низких температурах (500 … 800 *С) в основную печь установки.

Рис.12.5.4. Схема установки для испытаний

Программа изменения температуры и деформации образца задается на бумажной ленте в виде черных линий, аналогично описанному выше в настоящей главе. Основной вид испытания состоит в нагружении образца по заданной программе деформации при конкретном характере изменения его температуры. Испытывается последовательно несколько образцов при одинаковом термическом цикле. Каждый из последующих образцов имеет программу деформации, соответствующую наличию в детали более крупного трещиноподобного дефекта. После завершения испытания образца производится его долом с целью определения возможного подрастания трещины.

Таким образом удается установить тот критический размер дефекта в детали, начиная с которого, трещина растет. Этот размер является мерой трещиностойкости конкретной зоны детали. По показаниям прибора, записывающего изгибающий момент, определяется значение К, при котором началось или произошло разрушение образца.

Другим видом испытаний на описанной выше установке является определение скорости роста трещины в условиях высоких температур или при образовании холодных трещин при сварке. Для определения скорости роста трещины необходимо располагать данными тарировки деформации образца в зависимости от длины трещины и регистрировать изгибающий момент в процессе развития трещины. В остальном порядок испытаний остается тем же, что и при определении трещино­стойкости по условию начала движения трещины.

В работе [125] представлены некоторые результаты, полученные с использованием рассмотренного метода испытания. ‘