Длительные испытания при повышенных температурах

Кратковременные испытания при повышенных температурах

Для характеристики механических свойств металла деталей машин и аппаратуры, работающих в условиях нагрева, проводят кратковременные или длительные испытания при повышенных температурах.

Кратковременным испытаниям подвергают стали, предназначенные для деталей машин и инструментов, испытывающих в эксплуатации воздействие высоких температур сравнительно короткое время. Эти испытания чаще всего производят на растяжение.

Образцы для таких испытаний имеют цилиндрическую (рис. 3.1, а и б) или плоскую (рис. 3.1, в) форму с начальной расчетной длиной /0 = 5,65(7го)0’5 (короткие образцы) при /0 = 11,3(/о)0,5 (длинные образцы).

Форма и размеры головок плоских и цилиндрических образцов, а также размеры переходных частей от головки образца к его рабочей части не являются обязательными, а определяются способом крепления образцов в захватных приспособлениях и свойствами испытуемого материала. Способ крепления образцов должен предупреждать эксцентричность приложения нагрузки, деформацию головок образца и проскальзывание образцов в захватных приспособлениях машины. На головках цилиндрических образцов имеется нарезка для закрепления их через промежуточные захваты в зажимы машины.

Рабочая длина образца должна составлять для цилиндрических образцов от /0 + 0,5гУ0 до /0 + 2d$, для плоских образцов от /0+ 1,5(/70)0’5до /0 + 2,5(/70)0’5. Установленная начальная расчетная длина образца ограничивается кернами или рисками.

Испытание может производиться на обычных разрывных и универсальных машинах, снабженных специальной печью, куда устанавливают образцы и нагревают до заданной температуры, а также на специальных машинах 1231У-10.

Рис. 3.1. Образцы для испытаний на растяжение при повышенных температурах:

а — цилиндрический нормального типа; б — цилиндрический для установки тензометра; в — плоский

Машина 1231 У-10 предназначена для кратковременных механических испытаний металлов в широком диапазоне нагрузок от 1,96 до 98—100 Н, скоростей деформирования от 0,005 до 500 мм/мин и температур от — 150 (123 К) до 1200 °С.

Установка состоит из испытательной секции и двух пультов управления термокрио- и гелиевой камерами и работает по принципу деформирования образца с постоянной заданной скоростью.

Машина оснащена тиристорным приводом, сменными малоинерционными электрическими силоизмерительными чиками, позволяющими производить испытания в широком диапазоне нагрузок, и навесными электрическими датчиками деформации, обеспечивающими измерение удлинения базы образца высокой точностью.

Комплект сменных захватов и приспособлений позволяет испытывать на растяжение, сжатие и изгиб образцы различных типоразмеров. Специальные регулирующие устройства расширяют испытательные возможности машины.

При проведении испытаний необходимо соблюдать следующие основные условия: надежное центрирование испытуемого образца, плавность возрастания нагрузки при нагружении образца, скорость испытания в соответствии со стандартами или техническими условиями, возможность приостанавливать нагружение с точностью до одного наименьшего деления шкалы силоизмерителя.

Деформацию при определении условного предела текучести cjq 2 измеряют тензометрами с ценой деления шкалы не более 0,б2 мм, а при определении предела упругости цена деления шкалы должна быть не более 0,002 мм.

Нагревательное устройство должно обеспечивать равномерный нагрев образца по всей его рабочей длине до заданной температуры и сохранение этой температуры в установленных пределах на протяжении всего испытания.

Для измерения температуры на образцах устанавливают термопары от одной до трех, в зависимости от величины расчетной длины образца. Спай термопары должен касаться образца и быть изолирован от радиационного нагрева. Измерение температуры следует производить приборами класса точности не ниже 0,5 %.

На результаты испытаний при повышенных температурах влияет скорость приложения нагрузки и продолжительность выдержки образца под нагрузкой при температуре испытания. Для стали влияние этих факторов становится значительным при нагреве выше 300—350 °С, а для легких металлов при температуре 100— 150 °С. Испытания производят после определенной выдержки образца (30—60 мин) при заданной температуре испытания.

Продолжительность нагрева до температуры испытания и время выдержки при заданной температуре должны быть указаны в стандартах или технических условиях на металлопродукцию. При отсутствии указаний продолжительность нагрева до температуры испытания должна быть не более 1 ч, а время выдержки 20—30 мин. Если образец не доводят до разрушения, то скорость разгружения мало влияет на результаты испытания.

Характеристики прочности и пластичности при кратковременных испытаниях в условиях высоких температур определяют таким же способом, как и при обычных испытаниях на растяжение.

Величину нагрузки при испытании отсчитывают с точностью до одного наименьшего деления шкалы силоизмерителя.

Предел упругости 05 определяют при помощи тензометров таким образом: после окончательной установки тензометра на испытываемый образец (при начальном напряжении образца cjq не более 10 % от ожидаемого предела упругости) производят его нагружение определенно подобранными ступенями.

Нагружение проводят до тех пор, пока общее удлинение образца не превысит вычисленное удлинение с учетом заданного допуска. Для каждой ступени нагружения фиксируется величина нагрузки по шкале силоизмерителя испытательной машины и соответствующее ей удлинение по шкале тензометра. Количество ступеней выбирают из расчета получения не менее шести ступеней до нагрузки Ро,05’ соответствующей пределу упругости в заданном допуске.

Время снятия показаний на каждой ступени нагружения должно составлять не более 3 с.

По полученным результатам испытания строят диаграмму в координатах Р — А/ (рис. 3.2, а). Масштаб диаграммы по оси деформаций (ось абсцисс) должен составлять не менее 50:1. Высота ординаты, отвечающая нагрузке Рц 05 должна быть не менее 200 мм.

Для определения нагрузки Р0,05 вычисляют величину заданного остаточного удлинения, исходя из базы тензометра. Найденная

Рис. 3.2. Графическое определение нагрузки: а — предела упругости Ро,05» б — предела текучести Pq,2

величина увеличивается пропорционально масштабу диаграммы по оси деформации, а отрезок полученной длины ОЕ откладывают по оси абсцисс вправо от точки О.

Из точки Е проводят прямую ЕК, параллельную прямой ОА. Ордината точки пересечения прямой ЕК с кривой растяжения определяет нагрузку /*0,055 соответствующую пределу упругости.

Предел упругости вычисляют по формуле

где Fq — начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, мм2 (м2).

Предел текучести (физический) о*т, определяют по диаграмме растяжения, полученной на испытательной машине, если масштаб диаграммы обеспечивает соответствие 1 мм ординаты не более 9,8 МПа напряжения образца.

Предел текучести физический в МПа вычисляют пи формуле

Предел текучести условный 2 в МПа определяют следующими методами:

• • при помощи тензометра по методике, указаной для определения предела упругости;
• • по графическому методу при использовании машинных диаграмм, имеющих масштаб по оси деформации не менее 50:1.

Для определения нагрузки /*0 2 по машинной диаграмме вычисляют величину заданного остаточного удлинения, исходя из рабочей длины образца. Найденную величину увеличивают пропорционально масштабу диаграммы, а отрезок полученной длины ОЕ откладывают на оси абсцисс вправо от точки О (рис. 3.2, б). Начальную криволинейную часть диаграммы исключают. Из точки Е проводят прямую ЕК, параллельно прямой ОА. Точка пересечения К с кривой растяжения определяет высоту искомой ординаты, т. е. нагрузку Р0 2, соответствующую условному пределу текучести при заданном допуске на величину остаточного удлинения.

Допускается определять условный предел текучести 2 по машинным диаграммам с уменьшенным масштабом по оси деформаций, но не менее 10 : 1.

Предел текучести условный вычисляют по формуле

Условный предел текучести определяют только при отсутствии площадки текучести, если нет иных указаний в стандартах или технических условиях.

Временное сопротивление в МПа вычисляют по формуле

где Рмакс — наибольшая нагрузка, предшествовавшая разрушению образца.

Для определения длины расчетной части образца после разрыва порушенные части образца плотно складывают, так чтобы их оси образовывали прямую линию. Если расстояние от места разрыва до ближайшего керна (или риски), ограничивающего расчетную длину образца, меньше или равно Уз /о, допускают определение конечной расчетной длины образца с отнесением места разрыва к середине. Пересчет производится по методике, приведенной в ГОСТ 1407-73.

Если после испытания в месте разрыва образуется частичный зазор, обусловленный возможным выкрашиванием металла или другими причинами, то его включают в длину расчетной части образца после разрыва.

Относительное удлинение после разрыва в процентах вычисляют по формуле

где /к — конечная расчетная длина образца, т. е. длина расчетной части после разрыва образца; /0 — начальная расчетная длина образца до разрыва, т. е. участок образца, на котором определяется удлинение.

В протоколе испытаний и в сертификатах на поставляемый металл должно быть указано, на какой расчетной длине определялось относительное удлинение. Для этого обозначения относительного удлинения должны сопровождаться соответствующими индексами. При испытании образцов с начальной расчетной длиной /0 = = 5,65(/70)0’5, /0 = 11,3(/70)0’5 в качестве условных обозначений, указанных в соотношениях коэффициентов, служат числа 5, 10

Для определения относительного сужения после разрыва цилиндрического образца измеряют наименьший диаметр в месте разрыва в двух взаимно перпендикулярных направлениях. По среднему арифметическому двух полученных значений вычисляют площадь поперечного сечения. Определение относительного сужения после разрыва плоских образцов не рекомендуется.

Относительное сужение после разрыва |Д в процентах для цилиндрических образцов вычисляют по формуле

где FK — минимальная площадь поперечного сечения образца после разрыва.

Испытания считаются недействительными при разрыве образца по кернам, если при этом какая-либо характеристика по своей величине не отвечает установленным требованиям; при разрыве образца в захватах испытательной машины или за пределами рабочей части образца; при разрыве образца по дефектам металлургического производства (расслоям, газовым раковинам и др.); в случае нарушения температурного режима испытания.

Длительной прочностью называется сопротивление материала механическому разрушению под действием длительно приложенной постоянной нагрузки при высокой температуре.

Различают длительную прочность при растяжении, кручении и изгибе, а также в сложнонапряженном состоянии, например растяжение и изгиб, растяжение и кручение.

Длительная прочность характеризуется пределом длительной прочности. Предел длительной прочности чаще всего определяют при растяжении. Длительная прочность большинства материалов с повышением температуры снижается; она зависит также от химического состава, микроструктуры (размера зерна, формы, размера и характера распределения упрочняющих частиц), состояния поверхности образцов (снижается при увеличении шероховатости), окружающей среды (может резко снижаться при взаимодействии с легкоплавкими жидкими металлами).

Длительная прочность наряду с сопротивлением ползучести и жаростойкостью является важной характеристикой при выборе жаропрочных сплавов.

Испытание на длительную прочность при температурах до 1200 °С заключается в том, что образец доводится до разрушения под действием постоянной растягивающей нагрузки при постоянной температуре.

В результате испытаний определяют предел длительной прочности, т. е. наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время испытания при постоянной температуре, или устанавливают соответствие между временем до разрушения и нормой времени, указанной в стандартах или технических условиях на металлопродукцию.

При испытании материалов, применяемых в ракетостроении, это время может составлять несколько секунд, для стационарных турбин — до сотен тысяч часов.

Для испытаний на длительную прочность устанавливают образцы следующей формы и размеров: цилиндрические образцы диаметром 5 мм с начальной расчетной длиной 25 мм; диаметром 10 мм с начальной расчетной длиной 50 мм; диаметром 10 мм с начальной расчетной длиной 100 мм; диаметром 7 мм с начальной расчетной длиной 70 мм; плоские образцы с начальной расчетной длиной /0 = 5,65(/70)0’5, где Fq — начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, мм2. Толщина плоского образца определяется толщиной проката.

Допускается при наличии технических обоснований применять пропорциональные образцы других размеров и формы. Диаметр цилиндрических образцов должен быть не менее 3 мм. Форма и размеры образца для испытаний устанавливаются стандартами или техническими условиями на металлопродукцию.

Применяя образцы различных размеров, необходимо учитывать возможное влияние масштабного фактора на результаты испытания.

Форма и размеры головок образца и переходной части от головки к его рабочей длине определяются принятым способом крепления образца в захватах испытательной машины. Сопряжение головки образца с его рабочей частью должно быть плавным.

Образцы должны иметь одинаковую площадь поперечного сечения по всей расчетной длине. Допускаемые отклонения по величине площади поперечного сечения ±0,5 %. Поверхность образцов должна быть гладкой, без рисок и повреждений.

Плоские образцы можно применять двух видов: с сохранением поверхностного слоя или (при наличии особых указаний в стандартах или другой технической документации) с обработанной поверхностью.

Машины для испытания металлов на длительную прочность, как и на ползучесть, должны обеспечивать постоянство нагрузки в течение всего процесса испытания, плавность нагружения и раз- гружения образца, приложение нагрузки к образцу с погрешностью не более ±1 %, надежное центрирование образца.

Рис. 3.7. Машина 1243ПРЛ-5/1200 для испытаний на длительную прочность и ползучесть

Этим требованиям отвечают машины АИМА-5-2, 1243ПРЛ-5/1200, 1242П-1/

1800 и комплексная заводская лаборатория (КЗЛ) 1712СДП-3/1000.

На рис. 3.7 показана машина 1243ПРЛ-5/1200 для длительных испытаний образцов материалов при растяжении с заданной скоростью деформации.

Она предназначена для испытаний в воздушной среде при температуре от 150 до 1200 °С. Специальное устройство задает скорость деформирования образца. Коррекция скорости осуществляется следящим приводом с использованием в качестве обратной связи индуктивного датчика перемещения. Машина снабжена автоматическим самопишущим устройством для записи диаграммы в координатах «нагрузка — время».

Основное достоинство машины — возможность проведения испытаний в широком диапазоне температур и скоростей деформирования с использованием следящего привода.

Наибольшая испытательная нагрузка составляет 49 050 Н. Скорость движения активного захвата от 0,00005 до 20,0 мм/ч.

На машине можно испытывать образцы диаметром до 10 мм, рабочей длиной 50, 100 и 200 мм.

Полуавтоматическая машина 1242П-1/1800 предназначена для испытания материалов на ползучесть и длительную прочность в вакууме при температурах от 800 до 1800 °С с автоматической записью диаграмм «температура — время» и «деформация — время».

Нагрузка к образцу может быть приложена через рычажную систему или непосредственно при помощи тяги.

Особенностью конструкции является возможность автоматической записи диаграммы испытаний в координатах «деформация — время», а также самоустановка образца для обеспечения центричности приложения нагрузки.

Диапазоны испытательных нагрузок, приложенных через тягу, составляют от 2 до 50 кгс (от 19,6 до 490 Н), а через рычажную систему — от 50 до 1000 кгс (от 490 до 9810 Н).

Для массовых стандартных испытаний металлов на длительную прочность в воздушной среде при температуре от 500 до 1000 °С предназначена комплексная заводская лаборатория 1712СДП-3/1000.

Нагревательное устройство должно обеспечивать равномерный нагрев образцов до заданной температуры и сохранение температуры на протяжении всего испытания. Допускается, если этого требуют условия испытания, применение нагревательных устройств с защитной или иной атмосферой.

Температуру следует измерять приборами с погрешностью не более 0,5 %.

Испытания проводятся следующим образом. Установленный в захватах испытательной машины и помещенный в печь образец нагревают до заданной температуры (время нагрева, как правило, должно быть не более 8 ч) и выдерживают его при этой температуре не менее 1 ч.

В особых случаях время нагрева может быть более 8 ч, если испытываемый материал имеет стабильную структуру и предназначен для длительных сроков службы, а время предварительной выдержки менее 1 ч, если испытываемый материал имеет нестабильную структуру и предназначен для небольших сроков службы.

Для измерения температуры образцов на концах их рабочей части должно быть установлено не менее двух термопар таким образом, чтобы горячие спаи плотно соприкасались с поверхностью образца. Горячий спай термопары должен быть защищен от воздействия раскаленных стенок печи.

Холодный спай термопары в процессе испытания должен иметь постоянную температуру.

Отклонения от установившейся заданной температуры в любой момент в течение всего времени испытания и в любой точке расчетной длины образца не должны превышать при температуре нагрева до 600 °С ±3, при температуре нагрева от 600 до 900 °С — ±4, от 900 до 1200 °С – ±6 °С.

Необходимо периодически, не реже чем через 2 ч, измерять температуру с помощью потенциометра. Рекомендуется автоматическая запись температуры на протяжении всего испытания.

Температура испытания выбирается кратной 50 °С, если по условиям исследования не требуется специальная температура.

После нагрева образца и выдержки при заданной температуре к образцу плавно прикладывают нагрузку.

Время до разрушения при заданной величине напряжения является основным показателем данного вида испытания.

После разрушения образца определяют относительное удлинение 5 и относительное сужение образца ц/.

В некоторых случаях при проведении испытаний доводить образец до разрушения не обязательно — если образец выдержал норму времени, требуемую стандартами или техническими условиями и при этом не требуется определения пластичности.

Продолжительность испытания устанавливается для каждого металла в зависимости от его назначения.

Рекомендуется определять пределы длительной прочности на основе испытаний продолжительностью 50, 100, 500, 1000, 3000, 5000 и 10 000 ч, если не требуется другая длительность испытания.

Результаты испытаний считаются недействительными: при разрыве образца по разметочным рискам или кернам, а также за пределами его расчетной длины или в зоне галтелей, за исключением испытаний, при которых суммарная их продолжительность или суммарное удлинение не ниже установленных стандартами или техническими условиями на металлопродукцию; при разрыве образца по металлургическим дефектам (расслоям, пузырям, пленам, трещинам и т. д.).

Во время испытаний температура помещения должна быть по возможности постоянной. Испытание на длительную прочность можно проводить «цепочкой», т. е. одновременно нескольких образцов на одной машине. В некоторых случаях на длительную прочность испытывают образцы с надрезом.

В результате испытаний устанавливается зависимость между напряжением и временем до разрушения, которая может быть выражена графиками, построенными в логарифмической, полулогарифмической или иной системе координат. По этим графикам путем интерполяции или экстраполяции определяют предел длительной прочности металла.

Величину предела длительной прочности следует определять с точностью до 0,5 кгс/мм2 (4,9 МПа).

Предел длительной прочности обозначается а с двумя числовыми индексами: верхним — температурой испытания, °С; нижним — заданной продолжительностью испытания до разрушения, ч; продолжительность испытания можно обозначить числом часов или цифрой 10 с показателем степени, например: o{qq0 — предел длительной прочности за 1000 ч испытания при температуре 700 °С.

Относительное удлинение в процентах после разрыва подсчитывают по формуле 5 = (/к — /0)100//0, где /0 — начальная расчетная длина (измеряется при нормальной температуре перед испытанием образца), мм; /к — расчетная длина после разрыва, мм.

Начальную расчетную длину /0 — длину участка рабочей части образца, на котором измеряется удлинение, перед началом испытания ограничивают рисками или кернами с точностью ±1 %.

В технически обоснованных случаях за начальную расчетную длину допускается принимать расстояние между головками образца или расстояние между кернами, нанесенными на галтелях последнего.

Для измерения расчетной длины /к после разрыва разрушенные части образца плотно складываются так, чтобы оси их образовывали прямую линию. Измерение производится с точностью до 0,05 мм.

Если после испытания образца в месте разрыва образуется частичный зазор, обусловленный выкрашиванием металла или другими причинами, то он включается в длину расчетной части образца после разрыва.

Относительное сужение после разрыва в процентах цилиндрических образцов подсчитывают по формуле

где Fq — начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, измеренная при нормальной температуре перед испытанием, мм2; FK — минимальная площадь поперечного сечения образца после разрушения, подсчитанная по среднему арифметическому из результатов измерений минимального диаметра в месте разрыва в двух взаимно перпендикулярных направлениях, мм2.

Измерение диаметра образца до и после испытания производится с точностью до 0,05 мм.