симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 1), страница 12

К последней группе характеристик относятся такие свойства, как модули нормальной упругости и сдвига, коэффициент Пуассона, коэффициент линейного расширения, теплопроводность, излучательная способность, плотность. Они нужны для расчета напряжений, деформаций и температур. В числе связанных с разрушением рассматривают коррозионпые свойства, характеристики ползучести и длительной прочности, диаграммы много- и малоцикловой усталости, характеристики вязкости разрушения, текучести и предела прочности. Совместное рассмотрение всех этих характеристик приводит к выводу, что механизмы разрушения (в их зависимости от температуры и числа циклов нагружепия) представляют наибольший интерес для конструкторов камеры сгорания, а также рабочих и направляющих лопаток. Ползупесть О физике ползучести написано множество превосходных книг и статей.

Однако из всех последних методологических трудов наиболее информативен и полезен труд Зшби 121, посвященный картам механизмов деформации. Различают шесть независимых способов, в соответствии с которыми поли- кристаллический материал может деформироваться, сохраняя свое строение. Во-первых — это бездефектное течение. Оно наступает, если превысить теоретическое сопротивление сдвигу. Остальные пять требуют наличия дефектов 'кристаллической структуры. Дислокации являются источником двух видов пластического течения: дислокационного скольжения и дислокационной ползучести.

Движение точечных дефектов вызывает течение, которое относится к двум другим независимым видам: внутризеренному и околозернограничному течению. Шестой вьш течения обусловлен двойникованием, обычно его значение для инженерных решений невелико. "Поля" механизмов деформации чистого никеля представлены на рис.2.8, дающем в кратком обобщении изложение этой концепции. Поля нанесены на карту в координатах нормированного напряжения течения (напряжение отнесено к модулю бг' Рве.2.8. Карга механизмов деформацнн чистого никеля прн размере мрен 32 мкм (в коордннатах нормалнзованвое напряжение — гомологлческая температура); Вв — модуль сдвнга !2): 1 — теоретическая сдвнговая прочнос7ь; 2 — дяслокацнонное скольненне; 3 — днслокацнонная полэучесть; 4 — днффузнонная ползу- честь (эернограннчный массоперенос); 5 — днффузнонная ползучесть (внутрнэеренный массоперевос) ю-7 7п ~ 7П В и-в и ав тгт„ пл пв аг сдвига) и гомологической температуры (температура отнесена к температуре плавления).

Границы раздела полей получены приравниванием друг другу уравнений состояния материала, в отдельности характеризующих один из "соседствующих" механизмов. На рис. 2.9 представлена степенная темб4 б„'.и 7П 1 лтг 7П ' 7П' 7П' гб В и пг ас пв ав 7п и аг ас пв пв гп тут Рнс.23. Карта механнэмов деформации для сплана Маг-М200 с размером зерен 100 мкм 1п) н 1 см (б). Числами у крнных обозначена скорость деформации, с ' 12)7 1 — тсоретнческая прочность; г — днслокацнонное скольненве; 3 — ползучесть по степенному закону; 4 — тнпнчный ренам работы турбины; 5 — днффуэнонное течение пературная зависимость напряжения течения сплава МАК-М 200 131, представляющего собой материал рабочих лопаток.

В этом примере параметром являются минимальные скорости деформации и отчетливо, видна связь прочности с размером зерен. Выделена температурно-силовая область, характеризующая рабочее давление турбины. За полными сведениями об анализе физики ползучести и о картах механизмов деформации следует обратиться к первоисточникам 12,3). Модели лолзупести Параметрические методы, по-видимому, наиболее удобны для обобщения сведений о материалах. В 1952 году Ларсон и Миллер [41 впервые ввели представление о температурно- временном параметре в виде Т(С+ 181) = сонм для данной величины напряжения. В этом равенстве Т вЂ” абсолютная температура, 1 — время и С вЂ” константа материала.

Параметр используют, чтобы выразить связь напряжения с температурой и временем до разрушения или с некоторой избранной скоростью деформации. Пенность выражений такого рода в 3 Ззь НН7 том, что они дают единую кривую для характеристической деформации или времени до разрушения. Подобные кривые часто называют "базовыми" и строят в основном по данным кратковременных испытаний при некотором наборе повышенных температур, чтобы затем проэкстраполировать на длительные сроки службы. Хотя звучит это заманчиво просто, пользоваться такой экстраполяцией при проектировании может быть очень опасно. Если верить карте Эшби для деформационных механизмов, пригодность данных, полученных при кратковременных испытаниях, для экстраполяции на длительные сроки службы в основном не подтверждается. Кратковременные испытания идут при повышенных температурах, где основной механизм ползучести отличается от механизма ползучести, действуюшего в процессе эксплуатации долговечной детали.

Когда Ларсон и Миллер публиковали свою работу, это было еше не очевидно. Но в том же году Менсон и Хеферд [5! опубликовали результаты исследования, в котором использовали проверенные данные по многим материалам. Они показали, что формула Ларсона-Миллера непригодна для точной экстраполяции на длительные сроки службы и что для учета нелинейности функции 1Е( =/(1/Т) при постоянном напряжении требуется иное параметрическое выражение. Параметрические выражения, дававшие более достоверное описание данных и получившие большее признание применительно к тем или иным конкретным условиям, были установлены рядом исследователей 16-8!.

В графическом изображении некоторые из предложенных ими моделей представлены схематически на рис. 2.10 и соответствуюшие уравнения— ниже: Параметр: Ларсона-Мнллера..., Т(С + 1бс) Мснсона-Хеверда.... (Т вЂ” ТАХ1д — !асл) Орра — Шербн — Борца... секр(-УЗН/ЕТ) Голдхочфа-Шербн.... 0бх — !ЕсАХ!/Т вЂ” 1/ТА) Мопсова-Сьюкопа.... 1И вЂ” ВТ Здесь Т вЂ” температура, В, С, ТА, !А — постоянные материала; Я вЂ” универсальная газовая постоянная, !†время. Спустя почти два десятилетия после публикации Ларсона и Миллера выработаны особые формы рассматриваемой параметрической зависимости. Одна нз наиболее примечательных представлена Менсоном н Энсингом (91: бб )Я! + АР) |Г + Р = О, (2.1) где Р— функция температуры, Π— функция напряжения, А— константа материала и ! — время.

Особенностью уравнения (2.1) является то, что оно принимает любой вид (из числа представленных в табл.2.1), соответственно которому ведет себя данный материал. Рнс.2.!О. Параметрнческне завнснмости, характернзуюцсне процесс ползучестн в координатах температура — время: а — Ларсона — Миллера; Р = Лб нлн б/Е) = (ТсабОХ(И+С)! б — Мзнсоиа-ХзФерда; Р = /(б нлн О'/Е) 0И-!ЕсА) (Т-ТА); е — Мзнсона — !у С Саккопа; Р=/(б нлн б/Е) = 1бс — ВТ; г — Орра — Шербн — Дорна! Р =/ (б нлн б/Е) = Асехрч-В/Т) хут их т,т Для инженера-практика карты деформацнонных механизмов по Эшби и множество температурно-временных параметров должны црояс нить пределы экстр аполнронания, допускаемые каждой из имеюшихся температурно-временных параметрических зависимостей.

Следует иметь в виду, что большая часть данных, полученных путем испытания прн повышенных температурах и напряжениях, соответствует условиям, выходяшим за рамки рабочего диапазона, в котором по мысли инженера сконструированная нм деталь должна работать в течение продолжительного времени. Такие данные характеризуют материал, испытываюший действие вовсе не того механизма ползучести, который действовал бы в реальном процессе службы детали. Полагать надежной экстраполяцию подобных данных небезопасно.

Обрашение к методу "минимальных доверительных интервалов" привело Менсона к уравнению (2.1). Его подход и подходы других авторов (9! — это попытки сделать уравнение достаточно универсальным, чтобы для данной совокупности напряжения, момента времени и темпе- бт ратуры можно было точно предсказать деформированное состояние. Усталость Усталость (подробно она рассмотрена в гл.10) — это понижение стойкости материала против повторно-циклического действия напряжений или циклического деформирования.

В предшествующих разделах уже введены термины мало- и многоцикловая усталость. Инженеры ввели эти термины и различают их по количеству циклов, уровню напряжений по отношению к пределу текучести и характеру разрушения. С точки зрения конструктора деталей турбины более практично представлять, что малоцикловая усталость есть (обычно) результат термомеханнческнх деформаций, совершающихся единожды за каждый пуск турбины или за каждое изменение нагрузки, тогда как многоцикловая усталость — это следствие деформаций, совершающихся единожды или многократно за каждый оборот ротора.

Малоцикловая усталость. Чтобы рассчитать долговечность материала в условиях малоцнкловой усталости конструктору деталей турбины нужна модель поведения материала, связывающая какие-то легко наблюдаемые условия с количеством рабочих циклов, не приводящих к отказу детали.

результаты расчетов по первой из таких моделей, разработанной с позиций физики твердого тела, при сопоставлении с резулыатами испытаний оказались чрезвычайно обнадеживающими. Чтобы улучшить согласие, ввели представление об изначально присутствующих микротрещинах, а свойства материала выразили через энергию единицы поверхности трещины. Эта концепция была распространена Гриффнтсом [10[ на разрушение вообще, хотя родилась она при экспериментировании на хрупких материалах. Этот фундамент механики разрушения был заложен в 1920 г., однако вплоть до недавнего времени большинство оценок усталостной долговечности для каждого конкретного материала основывали на эмпирической зависимости между величиной циклической нагрузки и числом циклов до разрушения.