Испытание. Реферат - Испытания при повышенных температурах. Исследование по. Испытания при повышенных температурах. Исследование ползучести и длительной прочности

• Название: Испытания при повышенных температурах. Исследование ползучести и длительной прочности
• Анкор: Испытание
• Дата: 01.11.2019
• Размер: 321.5 Kb.
• Имя файла: Реферат - Испытания при повышенных температурах. Исследование по.doc
• Тип: Исследование; #93040
• страница: 3 из 7

20 40 60 80 , час 0,1 0,2 0,3 0,4 , %
Рис. 3. Ползучесть сплава ХН77ТЮР (ЭИ4Э7Б):

а—первичные кривые ползучести при 700° С; б—семейство

кривых деформирования по параметру длительности нагружения, полученные по пер­вичным кривым. Сплав ЭИ437.
Наибольшее распространение получил метод испытания на ползучесть при растяжении. Он регламентирован ГОСТом 3248—81. Возможны также испытания на ползучесть при других видах нагружения (сжатии, изгибе, кру­чении, с комбинированными нагрузками).

Характеристикой сопротивления материала ползучести является условный предел ползучести — напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданную деформацию образца или заданную скорость ползучести на прямолинейном участке кривой ползучести.

По ГОСТу 3248—81 рекомен­дуется определять предел ползу­чести при допусках на удлинение в пределах от 0,1 до 1% (наибо­лее распространенные значения допуска в зависимости от условий работы и назначения конструкции 0,1; 0,2; 0,5 и 1% при длительности испытания 10, 100, 300, 500, 1000, 3000, 5000, 10000 ч. Для конструкций с особо длительным сроком службы продолжи­тельность испытания может быть больше.

В случае определения предела ползучести по скорости ползуче­сти продолжительность испытания в соответствии с ГОСТом 3248—81 должна составлять не менее 2000— 3000 ч при условии, что продолжи­тельность прямолинейного участка кривой ползучести будет не менее 500 ч. Скорость ползучести получают из отношения разности относительных дефор­маций в двух точках этого участка к разности соответствующих значений времени (%/ч).

При определении по величине деформации предел ползучести обозначают
буквой σ с тремя числовыми индексами: двумя нижними и одним верхним.
Первый нижний индекс обозначает заданное удлинение (суммарное или оста­
точное) в %; второй нижний индекс — заданную продолжительность испытания в часах; верхний индекс — температуру в º С. Так, например, — напряжение, вызывающее деформацию ползучести 0,2% за 100 ч при температуре 800° С. В большинстве случаев предел ползучести определяют по оста­
точной деформации.

При определении предела ползучести по скорости ползучести нижний индекс означает скорость ползучести в %/ч. Так, – напряжение, вызывающее скорость равномерной ползучести 1·10^-5 %/ч при температуре 800° С.

ГОСТ 3248—81 рекомендует для испытаний на ползучесть при растяже­нии три типа образцов: цилиндрические образцы диаметром 10 мм с расчет­ной длиной 100, 150 (нормальный образец) или 200 мм (удлиненный образец) и плоский образец шириной 15 мм с расчетной длиной 100 мм. Толщина плоского образца определяется толщиной листа.

Возможно применение образцов другой формы и размеров при условии, что диаметр цилиндрических образцов не должен быть менее 5 мм, а отноше­ние рабочей длины к диаметру должно равняться 5 или 10.

Допускаемые отклонения длины рабочей части образца от заданной рас­четной не должны превышать ±1%, диаметра образца ±0,02 мм, ширины плоских образцов ±0,1 мм. Допускаемое отклонение площади поперечного се­чения ±0,5%.



Рис. 4. Образцы для испытания на ползучесть
На рис. 4 показаны наиболее распространенные типы образцов для испы­тания на ползучесть при растяжении: цилиндрические с буртиками а, продоль­ными сверлениями в головках б или плоский образец в.

Основные параметры машин для испытаний на ползучесть и длительную прочность по стандартным методикам регламентируются ГОСТом 15533—80.

Существует несколько конструктивных схем нагружения. Наибольшее распространение получило нагружение сменными грузами через рычажный ме­ханизм с верхним или нижним расположением рычага и соотношением плеч от 1:10 до 1 : 50.

Помимо этой системы применяются непосредственное нагружение грузами (для образцов с малым поперечным сечением), нагружение винтовыми пружи­нами, а также иные системы, обеспечивающие постоянство нагрузки во вре­мени (например, центробежной силой).


Рис. 5. Образец

Испытания на ползучесть на стандартных машинах проводят, как прави­ло, при постоянной нагрузке. Для автоматического поддерживания постоян­ства напряжения можно использовать фигурные рычаги (рис. 5). В зависи­мости от удлинения образца изменяется плечо рычага.

Соосность в системе нагружения достигается использованием захватов с шаровыми опорами, универсальных шарниров и призматических опор. Про­верку соосности проводят, измеряя упругие удлинения эталонного (а при не­обходимости рабочего) образца с двух диаметрально противоположных сто­рон экстензометрами или проволочными тензодатчиками при нормальной тем­пературе. Согласно ГОСТу 15533—80 разность этих удлинений не должна превышать 10% среднего арифметического значения деформации образца.

Для нагрева образцов при испытании на ползучесть в большинстве слу­чаев используют печи электросопротивления. Значительно реже применяют нагрев пропусканием тока через образец, электроннолучевой, индукционный и др.

В соответствии с ГОСТом 3248—81 отклонения от установившегося за­данного температурного режима образца в любой точке его расчетной длины в течение всего испытания не должны превышать: при температурах до 600° С±3°; при температурах от 600 до 900° ±4°; при температурах от 900 до 1200° С ±6°.

Внутренний диаметр муфеля должен быть минимальным для улучшения теплопередачи от нагревателя к образцу, а длина рабочей зоны печи в 4—6 раз больше расчетной длины образца.

Нагрев прямым пропусканием тока целесообразен для металлокерамических материалов с высоким удельным электросопротивлением, нечувстви­тельностью к небольшим отклонениям температуры и малой пластичностью.

На рабочей части образца должно быть установлено не менее двух-трех термопар, распределенных равномерно по расчетной длине. Плотный контакт горячего спая термопары с поверхностью образца обеспечивается чаще всего или привязыванием спая к образцу асбестовым шнуром или прижимом спе­циальной пружиной. Горячий спай должен быть защищен от прямой радиации с поверхности нагревателя. Температура холодного спая термопар должна поддерживаться постоянной.

Для измерения температуры по э. д. с. термопары согласно ГОСТу 3248—81 должны использоваться приборы с погрешностью не более 0,5%. Как пра­вило, для измерения и записи температуры во времени применяют электрон­ные потенциометры.

Основными элементами терморегулятора, обеспечивающего постоянство температуры печи, являются датчик температуры, измерительное устройство, определяющее отклонение температуры от заданной, и исполнительный меха­низм, который полностью выключает или включает ток в печи или переключа­ет ток на максимальную или минимальную заданную величину.

В дилатометрических терморегуляторах тепловое сокращение или удли­нение трубчатого муфеля или стержня, установленного в печи, увеличивается системой рычагов и вызывает замыкание или размыкание контактов, включа­ющих или выключающих через реле исполнительные механизмы. Дилатомет­рические регуляторы используются обычно при температурах до 1000° С.

В качестве регуляторов температуры могут быть использованы электрон­ные потенциометры типа КСП-2 или КСП-4 или других аналогичных типов.

Применяется электронный регулятор темпе­ратуры типа ВРТ-3, в схему которого включены и исполнительные механизмы с применением тири­сторов.

По ГОСТу 3248—81 приборы для измерения деформации должны обеспечивать точность от­счета не менее 0,002 мм. Колебания температуры не должны влиять на показания приборов.

При измерении деформации ползучести поль­зуются двумя основными методами. Первый за­ключается в непосредственном наблюдении с по­мощью оптического прибора (например, катето­метра) за изменением расстояния между метками, нанесенными на образец, через смотровое окно в корпусе печи; второй — в измерении относитель­ного перемещения стержней, соединенных с верх­ним и нижним концами рабочей части образца и выведенных из печи.

Типичными по своей конструкции машинами для массовых стандартизи­рованных испытаний металлов на ползучесть и длительную прочность явля­ются машины типа АИМА-5-1, машина ЦСТ-2/3, поставляемая из Германии, а для специальных испытаний в вакууме при весьма высоких температурах машина ПВ-1522.

Машина АИМА-5-1 предназначена для испытаний плоских и цилиндричес­ких образцов с расчетной длиной до 150 мм в интервале температур 300 — 1000° С при растяжении. Она состоит из двух самостоятельных идентичных секций, каждая из которых имеет рычажный механизм нагружения из трех рычагов с общим передаточным отношением 1 : 100 или 1 :20. Набором смен­ных грузов, устанавливаемых на подвеске рычажной системы, обеспечиваете» нагружение образца в интервале 300—30 000 н (30—3000 кГ). Кинематическая схема секции машины показана на рис. 6.

Рис. 6 .Схема секций машины АИМА-5-1:

1, 2, 4—система нагружающих рычагов; 3—держатель

грузов; 5—верхний захват; 6—образец; 7—электропечь;

8—шаровой шарнир; 9, 11—редукторы; 10—электро-

двига­тель; 12—винт; 13—нижний захват
Машина ЦСТ-2/3, изготавливаемая заводом VEB Werkstoffprufmaschienenr предназначена для испытания при растяжении образцов с расчетной длиной до 100 мм в интервале температур 300—4200° С. Максимальная нагрузка 20 000 н (2000 кГ). Машина имеет три независимые друг от друга идентичные испытательные секции, объединенные на одной станине.

Нагружение образца производится с помощью рычажной системы из двух рычагов с общим передаточным отношением 1 : 33,3. Горизонтальное положе­ние рычагов поддерживается автоматически с помощью ртутных реле, уста­новленных на нижнем рычаге, и электродвигателя, связанного с системой нагружения червячной передачей.

Образцы нагревают в электропечи с трехсекционной обмоткой сопротив­ления с раздельной регулировкой верхней и средней секций. Для измерения деформации служит экстензометр, состоящий из кварцевых стержней, установ­ленных на образце, и системы рычагов, которые передают удлинение образ­ца на индикатор для визуального отсчета, и индуктивный датчик, связанный с электронным самописцем, который обеспечивает автоматическую запись кри­вой ползучести в большом масштабе. Машина имеет систему автоматического выключения печей при разрушении образцов.

Машина ПВ-1522 предназначена для испытания цилиндрических и плос­ких образцов с расчетной длиной до 50 мм на ползучесть и длительную проч­ность при растяжении в вакууме 10^-4—10^-5 мм рт. ст. или в среде инерт­ного газа при температурах 800—1500^º С. Машина имеет рычажный механизм нагружения с двумя рычагами. Общее передаточное отношение рычагов 1 : 60. Максимальная величина нагрузки 20 000 н (2000 кГ). Горизонтальное поло­жение рычагов поддерживается автоматически контактным устройством и электродвигателем, связанным через редуктор с системой нагружения. Рабочая камера отделена от внешней среды подвижным уплотнением, перемещающим­ся на величину деформации образца.

Вакуумная печь представляет собой сварную конструкцию цилиндрической формы с нагревателем из вольфрамовых прутков, окруженных теплоотражающими металлическими экранами. Печь имеет систему водяного охлаждения. Измерение температуры осуществляется вольфрам-рениевой термопарой, ва­куумный ввод которой расположен в корпусе печи. Для измерения деформации образца с помощью катетометра КМ-6 в корпусе печи имеется окно, гермети­чески закрытое кварцевым стеклом.

Для испытаний при температурах свыше 1500º С (до 2000—2500° С) разра­ботана машина ПВ-Э0И2.

Высокотемпературные установки с вакуумными печами чаще всего приме­няются для испытания тугоплавких сплавов (Nb, Mo, WnAp.), которые в связи с их интенсивным окислением нельзя испытывать без защитных покрытий в воздушной среде. В этом случае важными методическими факторами являются чистота и стабильность рабочей среды, так как тугоплавкие металлы и сплавы на их основе загрязняются примесями (О₂, N₂ и др.) даже в глубоком вакууме и при этом существенно изменяются их прочностные свойства. Наиболее же­лательными для объективной оценки характеристик жаропрочности этой группы материалов являются испытания в вакууме не ниже 10^-8 мм рт. ст. Для воз­можности сопоставления получаемых результатов необходимо указывать, при', какой степени вакуума и величине натекания в рабочую зону печи проводи­лись испытания.

Для оценки работоспособности материала при высоких температурах и различных видах нагружения (сжатии, изгибе, кручении, сложном напряжен­ном состоянии), при циклических режимах нагрева и нагружения, отражающих реальные условия эксплуатации, а также в условиях весьма быстрого кратковременного подъема температуры (кратковременная или «секундная» ползучесть) применяют специальные установки и методики испытания.

Кривые ползучести при сжатии в общем виде подобны кривым ползучести при растяжении (за исключением третьего участка, в котором возможно чередо­вание замедленной и ускоренной ползучести).

Особенности оборудования для испытания на ползучесть при сжатии и. методики этих испытаний заключаются в следующем. Приложение нагрузки к образцу с помощью рычажной системы нагружения осуществляется через пу­ансоны, расположенные вне нагревательной печи, и нагружающие штоки с плоскими торцами, входящие в печь. Применение штоков вместо захватов слож­ной формы позволяет изготавливать их из высокопрочных керамических или металлокерамических материалов (например, из окиси алюминия или карбида кремния). Деформацию образца можно измерять по перемещению опорных по­верхностей штоков с помощью экстензометров, аналогичных применяемым при испытании на растяжение.

Испытаниям на ползучесть при изгибе подвергают в основном материалы, изготовленные методами порошковой металлургии (например, металлокерамические композиции). В этом случае чаще всего применяют схему консольного нагружения образца. Схему приложения нагрузки посередине образца, распо­ложенного на двух опорах, используют значительно реже в связи с ее большей конструктивной сложностью и трудностями в создании равномерного нагрева: образца. Образцы для испытания на изгиб представляют собой бруски длиной от 100 до 250 мм обычно круглого или квадратного сечения с поперечными размерами от 3 до 10 мм.

При консольном приложении нагрузки образец одним концом соединяется с рычагом-удлинителем, выходящим из нагревательной печи, к которому подве­шивается груз. Другой конец образца жестко закрепляется в подвижном блоке. Деформацию образца измеряют по прогибу рычага-удлинителя с помощью индикатора или катетометра.

И. А. Одингом разработан метод массовых испытаний на ползучесть при изгибе кольцевых образцов с внутренним диаметром 50 мм, рабочая часть ко­торых сечением 3,6X5,0 мм представляет собой кривой брус равного сопротив­ления изгибу. В горизонтальной нагревательной печи можно расположить пар­тию таких образцов. Нагрузка прилагается к концам образца, имеющего про­резь. Деформация определяется по увеличению раствора прорези с помощью катетометра.

Испытания на ползучесть при кручении имеют ограниченное применение и используются, главным образом, для оценки сопротивления ползучести прибор­ных материалов (проволоки, пружин).

Специфика испытаний на кратковременную ползучесть обусловлена харак­тером нагружения и нагрева некоторых конструктивных элементов. Решающее значение в этом случае приобретают мгновенные пластические деформации и переходная стадия ползучести. Рост температуры от низкой до весьма высокой происходит также за очень короткое время. Схема нагрева и нагружения, применяемая в испытаниях на кратковременную ползучесть, показана на рис. 7.

Рис. 7. Схема нагрева и нагружения при

испытании на кратковременную ползучесть
За критерий прочности обычно принимают время до разрушения или на­пряжение, вызывающее определенную деформацию ползучести (большей частью 0,5%) или суммарную деформацию за данное время. При испытании по данной схеме деформацией ползучести счи­тают деформацию, накоплен­ную от момента приложения полной нагрузки.

Отличительные особенности испытательных установок и методики испытания заключаются в следующем. Си­стема измерения деформации должна быть быстродействующей и обеспечи­вать запись кривой ползучести. Наиболее часто используют индуктивные дат­чики или упругие элементы с проволочными датчиками. Система измерения температуры должна обладать минимальной инерционностью. Горячий спай термопары большей частью приваривают к образцу точечной сваркой. Для записи деформации и температуры применяют высокоскоростные самописцы и осциллографы. Для нагрева образцов используют мощные источники тепла (поток горячих газов, солнечные печи, радиаторы с кварцевыми лампами, силитовые стержни, индукторы высокой частоты, а также прямое пропускание тока через образец).