Испытания на жаропрочность

Современные машины, конструкции и различное промышленное оборудование во многих случаях эксплуатируются в условиях воздействия не только внешних нагрузок, но и повышенных температур. Например, в энергетике, металлургии, нефтехимии металл оборудования, разогреваясь до нескольких сотен градуеов, должен сохранять на заданном уровне свои механические свойства.

Способность материала работать без разрушения при воздействии внешних нагрузок и повышенных температур называется жаропрочностью. В целях оценки показателей жаропрочности материала проводят механические испытания на ползучесть, длительную прочность и релаксацию напряжений.

Ползучесть

Ползучесть — это свойство материалов медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (напряжения). Ползучесть может проявляться при любом способе нагружения материала (растяжении, сжатии, изгибе и др.). Явление ползучести необходимо учитывать при расчете на прочность деталей и конструкций, работающих в условиях повышенных температур.

Различают несколько видов ползучести в зависимости от уровня рабочей температуры. Наиболее важный вид ползучести — медленная высокотемпературная ползучесть, которая проявляется в области температур (0,4-^0,7)Г_пл. Механические испытания материалов на ползучесть, как правило, проводят именно в этой области температур. Если в процессе испытания материала деформация протекает при условии постоянства температуры (Т= const) и напряжения (а = const), то такой процесс деформирования называется испытанием на ползучесть.

Показатели ползучести определяют на специальных установках, которые позволяют при заданных Т и, а измерять деформацию ползучести г.

На рис. 3.26 представлена схема установки для испытания материалов на ползучесть растяжением. По мере удлинения образца 4 наружная шина 5, жестко связанная с верхней частью образца, перемещается по отношению к внутренней шине 6, которая также жестко связана с нижней частью образца. Это перемещение, соответствующее удлинению образца, фиксируется индикаторами 7. Применение двух индикаторов, установленных симметрично по отношению к образцу, исключает влияние перекоса на результаты измерений.

Согласно ГОСТ 3248–81 на ползучесть испытывают растяжением несколько образцов при заданной температуре Ти различных уровнях напряжения а. Длительность испытаний составляет 50— 100 000 ч.

Испытание на ползучесть требует соблюдения следующих условий.

• 1. Температура образца на протяжении всего испытания не должна отклоняться от заданной более чем на 3 °C.
• 2. Градиент температуры по образцу — не более чем 3 °C.
• 3. Измерение деформаций должно производиться с точностью 0,001—0,002 мм.
• 4. Погрешность измерения усилий на образец не должна превышать ±1%.

Рис. 3.26. Схема установки для испытания материалов на ползучесть растяжением:

1 — верхний захват; 2 — электропечь; 3 — термопреобразователь; 4 — образец; 5 — наружная шина; 6 — внутренняя шина; 7 — индикатор часового типа; 8 — нижний захват; 9 — грузовой рычаг; 10 —грузы.

Рис. 3.27. Схема диаграммы ползучести.

В процессе испытаний строят диаграммы ползучести в координатах «деформация? — время т» (рис. 3.27).

На диаграмме ползучести рассматривают следующие участки ползучести: ОЛ — мгновенная; АВ — пеустаповившаяся; ВС — установившаяся; CD — ускоренная, заканчивающаяся разрушением.

Основные показатели ползучести — скорость и предел ползучести.

Скорость ползучести е на участке ВС можно определить по диаграмме ползучести (см. рис. 3.27) как.

где, а — угол наклона касательной в данной точке диаграммы к оси абсцисс.

На прямолинейном установившемся участке диаграммы ползучести (см. рис. 3.27, участок ВС) скорость ползучести е постоянна.

Предел ползучести есть напряжение, которое вызывает заданную деформацию за определенный промежуток времени. Заданная деформация устанавливается исходя из допустимых зазоров между деталями, а время — из срока службы изделия. Так, для теплоэнергетического оборудования задается деформация, равная 1%, а время — 10' ч. При таком большом промежутке времени на прямолинейном участке диаграмм ползучести накапливается основная деформация, по сравнению с которой деформация на начальном криволинейном участке ничтожно мала и ею можно пренебречь. Тогда скорость деформации на установившемся прямолинейном участке для е = 1% и времени т = 1 О⁵ ч будет составлять 1/10⁵ %/ч (10'⁵ %/ч).

Предел ползучести обозначается как стд_т, где Т — температура, °С; т — время, ч; е — деформация, %. Например, для допускаемой деформации, равной 1%, за 10⁵ ч при температуре Т = 500 °C предел ползучести обозначается так: crjy?₀^{5 =} 130 МПа (напряжение, равное 130 МПа, вызывает деформацию в 1% за 10^э ч при температуре 550°С).

Если деформация на начальном неустановившемся участке диаграммы ползучести достаточно заметна и ею нельзя пренебречь, что имеет место, например, для материалов авиационных двигателей, то тогда предел ползучести можно найти только по заданной деформации за некоторый промежуток времени с учетом деформации на начальном участке. Определение предела ползучести, но скорости ползучести в этом случая неприменимо, гак как скорость ползучести — переменная величина.