Механические свойства материалов (стр. 13 )

Максимальная жаропрочность литейных сплавов, передназначенных для работы выше (0,6…0,7)Тпл, достигается, как показал , образованием при кристаллизации сетчатых или скелетоообразных включений тугоплавкой и не взаимодействующей с матрицей избыточной фазы.

Высокой жаропрочностью обладают также дисперсноупрочненные материалы, в которых избыточная фаза не растворима в матрице.

Выделения образуются и в процессе ползучести, затрудняя ее развитие. Особенно эффективно повышают сопротивление ползучести те частицы, которые образуются на дислокациях и дефектах упаковки.

Для затруднения межзеренной деформации полезны выделения на границах зерен. Чтобы они не вызывали снижения пластичности, необходимо обеспечить пониженную поверхностную энергию на межфазной границе частица-матрица.

Основные требования к структуре жаропрочных сплавов:

1) высокая легированность твердого раствора медленно диффундирующими компонентами; 2) наличие дисперсных фаз-упрочнителей; 3) стабильность; 4) повышенная прочность приграничных зон.

4.11 Образцы и методика испытаний на ползучесть

Стандартные испытания на ползучесть при растяжении проводят с целью определения предела ползучести материала. Предел ползучести – это наибольшее условное растягивающее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенное время достигает заданной величины.

Если допуск дается по скорости ползучести, то предел ползучести обозначают буквой σ с двумя индексами – нижний соответствует скорости ползучести υп в процентах в час (%/ч), а верхний – температуре испытания в градусах Цельсия (0С). Если задается относительное удлинение и время его достижения, то в обозначение предела ползучести вводят три индекса: один верхний соответствует температуре испытания, а два нижних – деформации и времени.

Испытания проводят на образцах, рабочая часть которых имеет круглое или прямоугольное сечение. Цилиндрический образец имеет диаметр 10 и расчетную длину 100 или 200 мм, плоский – ширину 15 и расчетную длину 100 мм. Допускается использование других образцов с диаметром d0≥5 мм и расчетной длиной l0=5d0 или 10d0. Форма и размеры головок определяются конструкцией захватов испытательной машины. Как и при кратковременных высокотемпературных испытаниях на растяжение, головки делают резьбовыми, что обеспечивает наиболее прочное крепление в захватах.

Испытательная машина должна состоять из следующих основных блоков: нагружающего устройства, нагревательной печи с терморегулятором, приборов для измерения температуры и деформации. Поскольку для определения предела ползучести при одной температуре требуется несколько образцов и испытания продолжаются в течение сотен…тысяч часов, нагружающие устройства конструируют таким образом, чтобы на одной установке можно было одновременно испытывать по несколько образцов. Нагрузка на образец подается обычно через рычажный механизм.

Распространена машина для испытаний на ползучесть марки ИП-2. Нагружение образца производится рычажной системой, соединенной с нижним захватом. Верхний захват связан с механизмом, обеспечивающим перемещение образца вдоль вертикальной оси печи.

В этой и других машинах во время испытания постоянной поддерживается нагрузка, а не напряжение, которое со временем может несколько повышаться из-за сужения образца. Для обеспечения постоянства напряжения необходимо использовать специальные устройства, автоматически уменьшающие нагрузку по мере удлинения образца.

Поскольку характеристики ползучести очень чувствительны к температуре, должны быть приняты все меры для обеспечения строгого ее постоянства во всех точках расчетной длины образца в течение всего испытания. В машине ИП-2 образец нагревается в электропечи, которая снабжена терморегулятором, обеспечивающим достаточно точное поддержание температуры. Для измерения температуры на образце устанавливаются две или три термопары, горячие спаи которых должны соприкасаться с поверхностью образца.

Испытания химически активных, в частности тугоплавких металлов и сплавов, проводят в вакуумных печах или при инертной атмосфере.

Замер удлинения образца проводится с точностью не менее 0,002 мм. Для этого используют специальные индикаторы с ценой деления 0,001 мм, катетометры, зеркальные тензометры и другие измерители деформации.

Испытание проводят в следующей последовательности. Устанавливают образец в захватах, закрепляют на нем термопары и измеритель деформации, а затем упруго нагружают его при комнатной температуре для проверки правильности центровки в захватах. После этого надвигают на печь образец, где он постепенно (не более 8 часов) нагревается до заданной температуры и выдерживается при ней не менее одного часа. Затем подают предварительную нагрузку, равную ≈10 % от общей, и в течение 5 мин следят за показаниями измерителя деформации. Если показания остаются постоянными, производят плавную догрузку образца до заданной величины. Через определенные промежутки времени фиксируют величину удлинения и по результатам этих замеров строят первичную кривую ползучести. В совершенных установках кривая записывается автоматически во время испытания.

Температура испытания должна быть близка к рабочей температуре исследуемого материала и конструкции. Если определяется предел ползучести материала после нового режима обработки или нового сплава, то испытания обычно проводят при нескольких температурах, чтобы оценить поведение материала во всем возможном диапазоне рабочих температур.

При определении предела ползучести допуск на удлинение обычно составляет от 0,1 до 1 % за 100, 300, 500 или 1000 ч. Однако, в некоторых случаях, например, для жаропрочных материалов, используемых в энергомашиностроении, это время может быть больше – вплоть до 100000 ч.

Задаваемая скорость ползучести в большинстве случаев колеблется в пределах 10-3…10-6 %/ч, чаще всего от 10-4 до 10-5 %/ч.

На практике наиболее важен предел высокой температурной ползучести, который и определяется обычно в стандартных испытаниях. Кривая ползучести имеет вид, подобный ОА'ВСD (рисунок 29). Для расчета предела ползучести испытывают как минимум четыре образца при разных нагрузках (напряжениях). Для сокращения времени испытаний эти напряжения выбирают заведомо большими предела ползучести. Испытания прекращают на стадии установившейся ползучести, когда ее длительность будет достаточной для точного определения υп. уст.. Это условие необходимо, поскольку допуск при определения предела высокотемпературной ползучести дается именно по величине υп. уст..

В результате получают серию первичных кривых ползучести при разных напряжениях (рисунок 30) и для каждой из них подсчитывают υп. уст.. Затем в логарифмических координатах строят зависимость скорости установившейся ползучести от напряжения. Интерполирую прямую, построенную по экспериментальным точкам при относительно высоких σ, до заданного значения υп. уст., определяют предел ползучести.

Если допуск задается по величине удлинения за определенное время, то по первичным кривым ползучести строят зависимость времени достижения заданного значения δ от напряжения и по ней определяют предел ползучести.

Помимо растяжения, в ускоренных испытаниях на ползучесть используют другие схемы нагружения: изгиб, сжатие и прочее. Определенное распространение получил метод , в котором несколько цилиндрических образцов одновременно нагружаются центробежной силой. Образцы крепятся на нижнем конце (диске) вертикального вала, который находится в печи. Вал получает вращение от электродвигателя через ременную передачу. Образцы под действием центробежной силы изгибаются. Величина этой силы (нагрузки) определяется скоростью вращения вала, длиной и массой образца. Практически нагрузку регулируют изменением скорости вращения. Периодически измеряют стрелу прогиба или угол загиба образца и строят соответствующую временную зависимость – кривую ползучести. В результате испытания может быть определено несколько характеристик сопротивления ползучести: остаточная деформация за определенное время или время достижения заданной степени деформации, скорость деформации при изгибе и другие.

 

а – кривые ползучести при разных напряжениях; б – зависимость скорости установившейся ползучести от напряжения

Рисунок 30 – Схема определения предела ползучести

Поскольку в методе задаются высокие напряжения, он отличается высокой производительностью. Однако точность его относительно низка из-за непостоянства изгибающего момента в процессе испытания. Поэтому указанный метод применим только для ускоренных отборочных испытаний.

Простота и более высокая производительность по сравнению со стандартными испытаниями на ползучесть характерна для метода длительной твердости, предложенного для ускоренной оценки жаропрочности. Это испытание отличается от обычного измерения твердости при повышенной температуре только большей выдержкой индентора под нагрузкой (от 0,5 до нескольких часов, чаще всего один час). Величина отпечатка со временем увеличивается в соответствии с формулой:

d=b·τn,

где τ – время выдержки индентора под нагрузкой;

b, n – коэффициенты, зависящие от свойств материала и величины Р.

Поэтому результаты испытаний можно экстраполировать с помощью графика в координатах lgd–lgτ в сторону больших выдержек. Основной характеристикой, получаемой в результате испытания, является величина длительной твердости за заданное время. Сопротивление ползучести тоже связано с интенсивностью изменения длительной твердости во времени.

Метод используется для сравнительных ускоренных испытаний относительно близких по жаропрочности материалов, но, как и метод испытания на изгиб, не дает необходимых для конструкторских расчетов характеристик.

5 РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

5.1 Разрушение металлов. Классификация видов разрушения

Всякий процесс деформации по достижении достаточно высоких напряжений заканчивается разрушением. Процесс разрушения начинается с образования трещин субмикроскопических размеров и заканчивается макроскопическим разделением образца на отдельные части. Ряд важнейших механических свойств металлов и сплавов характеризует их сопротивление разрушению, величину или работу деформации до разрушения.