Приложение 7 (рекомендуемое). Расчет на длительную циклическую прочность

Приложение 7
(рекомендуемое)

Расчет на длительную циклическую прочность

1. Метод расчета на длительную циклическую прочность для изотермического и неизотермического нагружения применим в интервале температур от (см. разд. 3.2 Норм) до 773 К (500°C) для деталей из легированных сталей, до 873 К (600°C) для деталей из коррозионно-стойких сталей аустенитного класса и железоникелевых сплавов и до 623 К (350°C) для деталей из сплавов циркония с 1 и 2,5% ниобия при числе циклов до .

2. Положения, изложенные в разд. 5.3 и пп. 5.6.2, 5.6.3, 5.6.8, 5.6.16-5.6.21, 5.6.23 Норм, следует применять при расчете на длительную циклическую прочность.

3. Определение допускаемой амплитуды условных упругих напряжений или допускаемого числа циклов следует проводить по формулам п. 5.6.6 Норм. При этом следует принять

; ; ; m = 0,5;

,

где - предел длительной прочности при максимальной температуре цикла нагружения за время t, равное части рабочего ресурса рассматриваемой детали, отрабатываемого при температуре выше (см. разд. 3.2 Норм); - предел выносливости при максимальной температуре цикла и циклов нагружения за время t, принимаемый равным ; - характеристика длительной пластичности, определяемая равномерным сужением поперечного сечения при длительном статическом растяжении; значение принимается минимальным в интервале рабочих температур и длительности нагружения до t.

Если экспериментально обосновано, что , то показатель степени вычисляется по формуле . Значения принимают по табл. П6.1. Значения допускается определять по формуле , где - относительное удлинение образца при длительном статическом разрушении в интервале рабочих температур и длительности нагружения до t; при допускается применять формулу . Значения и принимают по табл. П6.3. Допускается определять и по формулам

; .

4. В интервале температур 623-673 К (350-400°C) для легированных сталей, 723-773 К (450-500°C) для коррозионно-стойких сталей аустенитного класса и 523-573 К (250-300°C) для сплавов циркония значения для промежуточных температур определяются линейной интерполяцией между значениями и при наименьшей и наибольшей температурах интервалов соответственно. Для минимальных температур указанных интервалов значение равно , которое определяется по п. 5.6.6 Норм.

5. Расчетные кривые усталости легированных сталей при симметричном цикле приведены на рис. П7.1. Модуль упругости принят 184, 182, 180, 176, 172 ГПа при 623, 648, 673, 723 и 773 К (350, 375, 400, 450, 500°C) соответственно. Механические свойства при использовании кривых должны быть:

до 623 К (350°C) ; МПа; ;

для ч:

до 673 К (400°C)  МПа, ;

до 723 К (450°C)  МПа, ;

до 773 К (500°C)  МПа, .

Расчетные кривые усталости сталей аустенитного класса при симметричном цикле приведены на рис. П7.2. Модуль упругости принят равным 155, 152, 146, 147, 145 ГПа при 723, 748, 773, 823, 873 К (450, 475, 500, 550, 600°C) соответственно.

Механические свойства при использовании кривых должны быть:

до 723 К (450°C) ; МПа; ;

для ч:

до 773 К (500°C)  МПа, ;

до 823 К (550°C)  МПа, ;

до 873 К (600°C)  МПа, .

Расчетные кривые усталости железоникелевого дисперсионно-твердеющего сплава ХН35ВТ при симметричном цикле приведены на рис. П7.3. Модуль упругости принят равным 163, 162, 161, 158, 156 ГПа при 723, 748, 773, 823, 873 К (450, 475, 500, 550, 600°C) соответственно.

Механические свойства при использовании кривых должны быть:

до 723 К (450°C) ; МПа; ;

для ч:

до 773 К (500°C)  МПа, ;

до 823 К (550°C)  МПа, ;

до 873 К (600°C)  МПа, .

Расчетные кривые усталости сплава циркония с 2,5% ниобия при симметричном цикле приведены на рис. П7.4. Модуль упругости принят равным 75, 72, 69 ГПа при температурах 523, 573, 623 К (250, 300, 350°C) соответственно.

Механические свойства при использовании кривых должны быть:

до 523 К (250°C) МПа; ;

для ч:

до 573 К (300°C)  МПа, ;

до 623 К (350°C)  МПа, .

При определении расчетных кривых на рис. П7.1-П7.4 принято и .

Расчетные кривые для промежуточных температур могут быть получены интерполяцией напряжений.

6. При расчете элементов конструкций из однородных материалов или их зон, нагруженных только температурными напряжениями от радиальных перепадов температур (исключая зоны краевого эффекта и изменения средней температуры), например тепловых экранов, разделительных оболочек и т.п., разрушение которых не приводит к выходу рабочей среды за пределы удерживающих ее несущих элементов, а также смешиванию натрия с водной средой, коэффициенты запаса при расчете этих элементов или их зон на длительную циклическую прочность в соответствии с пп. 3-5 настоящего приложения и формулам п. 5.6.6 Норм принимают равными и .

7. Если при расчете по пп. 2-5 настоящего приложения условия прочности или применимости кривых не удовлетворяются, то уточнение допускаемого числа циклов или допускаемых амплитуд местных напряжений, полученных по расчетным кривым усталости или формулам, может быть проведено по формулам п. 5.6.6 Норм и пп. 3, 4 настоящего приложения на основе анализа процесса изменения температур и напряжений в рассматриваемой зоне детали в соответствии с нижеследующими пунктами.

8. Если нагружение при эксплуатации производится при различных температурах, то значения и могут быть определены с учетом нестационарности теплового режима. Значение принимают по кривой длительной прочности при максимальной температуре цикла для длительности нагружения :

,

где - общее время нагружения при температуре ; - время до разрушения по кривой длительной статической прочности при температуре при напряжении , вызывающем разрушение при температуре за время .

Подобным способом определяют значение . Для получения используется кривая изменения при температуре , приводящей к наибольшей потере пластичности при длительном статическом нагружении. Значение принимают по кривой ее изменения в зависимости от времени до длительного статического разрушения при температуре для длительности нагружения (в общем случае ):

,

где - общее время нагружения при температуре ; - время до достижения по кривой изменения при температуре значения , соответствующего температуре и времени .

Если значения достигают минимума при некотором времени до разрушения t', то при t > t' значение принимают равным минимальному.

Значения и используют для расчета и по формулам п. 5.6.6 Норм и пп. 3, 4 настоящего приложения.

На рис. П7.5 и П7.6 приведены примеры определения и . Показан случай двух рабочих температур, приводимых к температуре при определении и температуре, приводящей к наибольшей потере пластичности, при определении .

9. Если при расчете по пп. 2-8 настоящего приложения условие прочности не удовлетворяется, то с целью уточнения полученного результата расчетное время для рассматриваемого цикла принимается равным наибольшему из и .

Наибольшее время из указанных, например , разбивают на интервалы времени, для которых известно ожидаемое эксплуатационное число циклов данного типа, и для моментов времени, отвечающих концу интервалов, выбирают по кривой длительной прочности при температуре и по кривой изменений при температуре значения и (рис. П7.7).

По формулам пп. 5.6.6 Норм и п. 3, 4 настоящего приложения проводят расчет допускаемого числа циклов данного типа, характеризуемого амплитудой напряжений и асимметрией r, используя значения и , отвечающие принятому разбиению длительности нагружения на интервалы.

Суммарное усталостное повреждение с учетом повреждений от других типов циклов должно удовлетворять условию п. 5.6.19 Норм.

10. Если при расчете по пп. 8, 9 настоящего приложения значение не изменяется с течением времени и определяется лишь температурой, то время нагружения t следует разделить на отдельные интервалы, соответствующие различным температурам рассматриваемого цикла; в пределах этих интервалов, для которых известно ожидаемое эксплуатационное число циклов, расчет допускаемого числа циклов данного типа, характеризуемого амплитудой напряжений и коэффициентом асимметрии r, проводят по формулам п. 5.6.6 Норм и пп. 3, 4 настоящего приложения, используя значения и , отвечающие длительности интервалов и значениям температуры в пределах этих интервалов.

Суммарное усталостное повреждение с учетом повреждений от других типов циклов должно удовлетворять условию п. 5.6.19 Норм.

11. В том случае, когда деформации и напряжения получены из расчета с учетом ползучести, значения и могут быть определены по фактическому уровню длительных статических повреждений. С этой целью вычисляют длительные статические повреждения , накапливаемые при эксплуатационном нагружении. Эксплуатационное нагружение включает все типы циклов при числе повторений, равном ожидаемому за рабочий ресурс детали, и отражает фактическую среднюю длительность нагружения для цикла каждого типа и соответствующие температуры в рассматриваемой зоне детали.

Длительное статическое повреждение

,

где t - время до разрушения при длительном статическом нагружении фактическим приведенным местным напряжением при соответствующей температуре в рассматриваемой зоне детали.

При этом учитываются в одинаковой степени повреждения от напряжений растяжения и сжатия, если для данных значений температур и напряжений экспериментально не показано отсутствие повреждений от напряжений сжатия или их меньшее значение по сравнению с растяжением.

Значения и при оценке длительной циклической прочности по п. 5.6.6 Норм и пп. 3, 4 настоящего приложения принимают по кривой длительной прочности при максимальной температуре цикла и по кривой изменения в зависимости от времени при температуре цикла нагружения, приводящей к наибольшему снижению пластичности, для длительности нагружения . Длительное статическое повреждение должно удовлетворять условию . При время t* равно t. При нестационарном нагружении (наличие нескольких типов циклов) должно удовлетворяться условие прочности по п. 5.6.19 Норм.

Уточнение расчета по данному пункту может быть проведено так же, как указано в п. 1.9 настоящего приложения.

12. При использовании сталей с содержанием неметаллических включений выше 3-го балла, определяемого по ГОСТ 1778-70, допускаемое число циклов данного типа следует определять по расчетным кривым усталости пп. 3-5 настоящего приложения при амплитуде напряжения

,

где - расчетная амплитуда приведенных упругих напряжений от механических и тепловых нагрузок;

,

где - коэффициент влияния неметаллических включений, принимаемый до табл. П7.1;

- абсолютное значение разности коэффициентов теплового расширения стали и неметаллических включений по табл. П7.1;

- размах температуры цикла, определяемый по формуле

,

где и - максимальная и минимальная температуры цикла напряжений.

Таблица П7.1. Значения коэффициентов и 

Материал	Степень загрязненности, баллы																			, 1/°C
		Лист						Пруток, трубная заготовка						Поковка
		350°C	400°C	450°C	500°C	550°C	600°C	350°C	400°C	450°C	500°C	550°C	600°C	350°C	400°C	450°C	500°C	550°C	600°C
Легированные стали и сварные соединения	3,0	0	0	0	0	0	-	0	0	0	0	0	-	0	0	0	0	0	-	7
	3,5	0	0,04	0,07	0,11	0,14	-	0	0,025	0,05	0,08	0,10	-	0	0,02	0,04	0,06	0,08	-
	4,0	0	0,04	0,08	0,12	0,16	-	0	0,03	0,06	0,09	0,12	-	0	0,02	0,045	0,065	0,09	-
	4,5	0	0,045	0,09	0,14	0,18	-	0	0,035	0,07	0,11	0,14	-	0	0,025	0,05	0,08	0,10	-
	5,0	0	0,05	0,10	0,15	0,20	-	0	0,04	0,08	0,12	0,16	-	0	0,03	0,06	0,09	0,12	-
Сталь аустенитного класса и сварные соединения	3,0	-	-	0	0	0	0	-	-	0	0	0	0	-	-	0	0	0	0	10
	3,5	-	-	0	0,07	0,14	0,20	-	-	0	0,05	0,11	0,16	-	-	0	0,04	0,08	0,12
	4,0	-	-	0	0,08	0,16	0,24	-	-	0	0,06	0,12	0,18	-	-	0	0,045	0,09	0,14
	4,5	-	-	0	0,09	0,18	0,28	-	-	0	0,07	0,14	0,22	-	-	0	0,05	0,11	0,16
	5,0	-	-	0	0,10	0,20	0,30	-	-	0	0,08	0,16	0,24	-	-	0	0,06	0,12	0,18
Железоникелевые дисперсионно-твердеющие сплавы и сварные соединения	3,0	-	-	0	0	0	0	-	-	0	0	0	0	-	-	0	0	0	0	8
	3,5	-	-	0	0,07	0,14	0,20	-	-	0	0,05	0,11	0,16	-	-	0	0,04	0,08	0,12
	4,0	-	-	0	0,08	0,16	0,24	-	-	0	0,06	0,12	0,18	-	-	0	0,045	0,09	0,14
	4,5	-	-	0	0,09	0,18	0,28	-	-	0	0,07	0,14	0,22	-	-	0	0,05	0,11	0,16
	5,0	-	-	0	0,10	0,20	0,30	-	-	0	0,08	0,16	0,24	-	-	0	0,06	0,12	0,18

13. При отсутствии данных о содержании неметаллических включений расчет допускаемого числа циклов следует проводить по п. 12, приняв значение коэффициента для 5-го балла.

14. При расчете длительной циклической прочности сварных соединений расчетную амплитуду напряжений определяют как

,

где - коэффициент снижения длительной циклической прочности сварного соединения, принимаемый по табл. П7.2 в зависимости от максимальной температуры цикла.

Таблица П7.2. Значения коэффициентов

Основной металл	Метод сварки	Сварочный материал	Вид термообработки после сварки	Температура, °C
				350	400	450	500	550	600
Стали аустенитного класса	Ручная	48А-1	Без термообработки	-	-	0,8	0,70	0,60	0,50
			Аустенизация	-	-	1,0	0,85	0,70	0,55
		48А-2-ВИ	Без термообработки	-	-	0,8	0,70	0,60	0,55
			Аустенизация	-	-	0,8	0,70	0,55	0,45
		ЭА400/10у	Без термообработки	-	-	0,8	0,70	0,60	0,50