Термической усталостью называют процесс появления усталостных трещин и формоизменения тел под воздействием циклических термических напряжений. Эти напряжения возникают вследствие различных расширений элементов статически неопределимой системы. (Циклические нагревы и охлаждения незащемленного стержня, как известно, не вызывают образования в нем термических напряжений). Термическая усталость представляет собой один из видов разрушения от малоцикловой усталости при переменных температурах. Однако, следует отметить, что широко распространенный термин “малоцикловая усталость” (low cycle fatigue) применительно к циклическому деформированию при повышенных температурах сам по себе не является удачным, так как главным фактором, определяющим такое разрушение в этих условиях и его отличие от многоцикловой усталости является не число циклов, а частота нагружения. В этой связи более удачными терминами представляются “низкочастотная” и “высокочастотная” усталость. Механизмы разрушения в этих условиях также различны для этих процессов не в связи с числом циклов, а в связи с частотой (в случае многоцикловой усталости имеют место запаздывание перемещения дислокаций, при малоцикловой усталости — процессы циклического упруго-пластического деформирования и циклической ползучести).
В связи со сказанным уместно дать определение термина “цикл”. Циклическое нагружение характеризуется заданной программой периодического изменения напряжений (или деформаций) и температуры. Цикл нагружения называется простым, если он характеризуется постоянством (по модулю) скорости нагружения (или деформации), постоянством величины изменения температуры в циклах и наличием лишь двух реверсов напряжений. Сложный цикл нагружения может включать быстрые изменения напряжений и длительные выдержки; реверсы, характеризующиеся сменой знака скорости деформации; этапы непропорционального нагружения, изменения температур в разных циклах. Характерным примером нестационарных условий нагружения является полетный цикл авиационного газотурбинного двигателя.
Впервые повреждения, вызванные термической усталостью, было описано Д. К. Черновым, изучавшим причины разгара стволов артиллерийских орудий. В неоднородном температурном поле термические напряжения могут быть достаточно велики — заметно превышать величину предела текучести. Особенно большие термические напряжения возникают в деталях из аустенитных сталей, у которых коэффициент линейного расширения примерно в 1,5 раза превышает его значения для перлитных, ферритных и феррито-мартенситных сталей, а также для сплавов на никелевой основе. Наблюдаются разрушения деталей и в тех случаях, когда они, будучи изготовлены из хрупкого материала, подвергаются однократному действию термических напряжений (термическому удару).
При дальнейшем изложении используются термины жесткое и мягкое нагружение.
Мягкое циклическое нагружение — нагружение в условиях заданной амплитуды напряжений, обеспечивающее возможность неограниченного увеличения деформаций.
Жесткое циклическое нагружение — нагружение в условиях заданной величины размаха полных деформаций ε: ε=εу+εпл+ р,
где εу — упругая деформация, εпл — пластическая деформация, р — деформация ползучести).
Термины “мягкое” и “жесткое” нагружение используются как схематизация для описания условий проведения экспериментов, применяемая для расчетной оценки прочности. Реализуются же в деталях некие промежуточные ситуации. “Мягкое” и “жесткое” нагружение реализуются в условиях, зависящих от степени статической неопределимости конструкции. В случае статически определимой конструкции — нагружение является мягким, и напротив, для статически неопределимой конструкции в областях концентрации напряжений реализуется нагружение в форме, связанной с циклическим деформированием. При подрастании трещины картина, обусловленная жесткостью нагружения, меняется.
Примеры термоусталостных повреждений деталей при эксплуатации
Примеры термоусталостных разрушений деталей энергооборудования, эксплуатирующихся на пусковых режимах, приведены на рис. 1—6.
Рис. 1. Прогиб кромок направляющих лопаток турбины после работы на пусковых режимах:
А — сталь ЭИ787; б — сплав ЭИ868
Рис. 2. Погиб направляющего аппарата, вызванный термоциклическими напряжениями при эксплуатации на пусковых режимах
Рис. 3. Термоусталостная трещина в ободе направляющего аппарата турбины ГТУ
Рис. 4. Термоусталостная трещина на кромке сопловой лопатки ГТУ
Рис. 5. Термоусталостная трещина на кромке рабочей лопатки турбины из сплава ЭИ765 после длительной эксплуатации на пусковых режимах
Рис. 6. Термоусталостные трещины в основании пазов натурного диска после стендовых испытаний на термоусталость с вращением на рабочих оборотах
В корпусных деталях паровых турбин наблюдается образование и развитие трещин, вызванных совместным действием ползучести и термической усталости.