Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

зует способность стали к росту зерна при температуре, значи­ тельно превышающей критическую. Действительное зерно — это фактическое, полученное в стали в результате обработки.

Методы выявления и определения величины зерна в деформи­ руемых углеродистых и легированных сталях, в том числе жаро­

показана на рис. 30. Легко видеть, что обе схемы весьма сходны. Однако в электронном микроскопе стеклянные линзы отсутствуют. Преломление элек­ тронных лучей осуществляется электромагнитными линзами, каж­ дая из которых представляет собой катушку, через которую про­ ходит электрический ток. Катушка заключена в металлическую оболочку и снабжена полюсными наконечниками. Электроны, проходя через магнитную линзу, под влиянием мощного магнит­ ного поля значительно отклоняются от первоначального пути. Источником электронных лучей является вольфрамовая спираль, нагреваемая электрическим током до высокой температуры.

Наряду с исследованиями микроструктуры, проводимыми при помощи оптических и электронных микроскопов в условиях нор­

64

мальных температур, успешно изучают строение металлов и спла­ вов при повышенных и пониженных температурах. Успехи ва­ куумной техники позволили широко развить высокотемператур­ ную металлографию, которая дает возможность изучать строение металлов и сплавов в условиях высоких температур — до близких к температуре плавления. При таких температурах изучают осо­ бенности строения зерен и их границ, кинетику роста зерен, струк­ турные изменения, происходящие в металлах и сплавах при на­ греве, охлаждении, а в необходимых случаях и при одновремен­ ном воздействии механических усилий.

ИСПЫТАНИЯ НА УСТАЛОСТЬ

Для надежной работы паровых и газовых турбин важное зна­ чение имеет выносливость металлов, из которых изготовлены от­ ветственные детали, в первую очередь роторной группы: рабочие лопатки, диски, валы и роторы.

Выносливостью называют свойство металла противостоять уста­ лости — процессу постепенного накопления повреждений под дей­ ствием повторнопеременных напряжений. Этот процесс, разви­ ваясь в металле, приводит к уменьшению долговечности его службы, образованию трещин и разрушению.

Опыт эксплуатации и многочисленные исследования показы­ вают, что металл, работающий при переменных, циклически по­ вторяющихся нагрузках, может разрушаться при напряжениях, которые ниже его предела прочности и текучести.

Разрушение под действием переменных напряжений обычно наступает не сразу, а после более или менее значительного числа перемен нагрузки, в тех случаях, когда максимальная величина переменного напряжения превосходит некоторый предел, который для различных металлов имеет разную величину в зависимости от химического состава, условий выплавки, отливки, ковки, терми­ ческой обработки и пр. Если переменные рабочие напряжения не превышают указанного предела, то металл может выдержать, не разрушаясь, практически неограниченное число циклов нагрузки.

Если же напряжения по величине превышают этот.предел, то металл разрушается, и это разрушение наступит тем скорее, чем больше превзойден свойственный данному металлу предел без­ опасной работы при переменных нагрузках. Величина такого предела, называемого пределом выносливости, зависит от боль­ шого количества факторов. Большое значение имеют конструктив­ ные формы детали, наличие концентраторов напряжений: отвер­ стий, надрезов, резких изменений сечения, неблагоприятных сле­ дов обработки режущими инструментами и т. д.

Для определения предела выносливости проводят испытания на образцах, деталях или их моделях. Исследуемому образцу или изделию сообщают многократно повторяющиеся переменные на­ пряжения растяжения и сжатия, изгиба, кручения и пр., при

Симметричных или асимметричных циклах — в зависимости от характера предстоящей реальной нагрузки изделия в условиях эксплуатации и конкретных задач проводимого испытания.

Лабораторными опытами и по данным эксплуатации установ­ лено, что если образец в условиях нормальной температуры и воздушной среды выдерживает без разрушения 10 млн. циклов нагрузки, то можно полагать, что он не разрушится и при дальней­ шем, произвольно большом числе этих циклов. Поэтому пределом выносливости металла считают то наибольшее напряжение, при котором его образец выдерживает, не разрушаясь, 10 млн. циклов нагрузки. Это или другое число циклов нагрузки, принятое как критерий для определения предела выносливости, называют ба­ зой испытания на усталость.

Воздействие высоких температур и коррозионной среды суще­ ственно сказывается на величине предела выносливости. При вы­ соких температурах за базу испытаний обычно принимают более 10 млн. циклов. Коррозия металла понижает предел выносливости, а иногда делает результаты испытаний неопределенными вслед­ ствие различной интенсивности и характера разрушения поверх­ ности подвергаемых испытанию образцов.

Для многих сталей литых, катаных и кованых при испыта­ нии на изгиб в условиях симметричного цикла предел выносли­ вости приблизительно равен 0,5сгв. Для литых и деформирован­ ных никелевых, медных и магниевых сплавов при испытаниях на базе ІО8 циклов предел выносливости составляет обычно около 0,35ов.

Следует подчеркнуть, что значения предела выносливости мо­ гут существенно изменяться в связи с неоднородностью структуры, наличием неметаллических включений, формой и распределением карбидов и т. п. Легирование низко- и среднеуглеродистых сталей никелем, хромом, молибденом, ванадием, повышая предел проч­ ности, обычно повышает и предел выносливости. Однако во мно­ гих высокопрочных сталях (как углеродистых, так и легирован­ ных) с повышением содержания углерода предел выносливости снижается, а предел прочности повышается.

Неметаллические включения неблагоприятной формы и ориен­ тации, вокруг которых происходит концентрация напряжений, снижают предел выносливости металла. При прочих равных усло­ виях вокруг металлургического дефекта, в сечении по форме близкого к кругу, концентрация напряжений примерно в 3 раза меньше, чем вокруг дефекта, имеющего в сечении ромбическую форму. С уменьшением размеров зерна и упрочнением его границ предел выносливости многих металлов и сплавов повышается.

На величине предела выносливости сказывается частота на­ гружения; при этом влияние изменений частоты характеризуется значительным разнообразием для разных металлов и сплавов, интервалов частот и видов нагружения. Поэтому говорить с опре­ деленностью о надежно установленных закономерностях в этом

66

отношении весьма затруднительно. При увеличении частоты на­ гружения длительность цикла уменьшается, что способствует по­ вышению предела выносливости. В то же время с возрастанием частоты нагружения повышается температура металла, что в опре­ деленных условиях может вызвать снижение предела выносли­ вости. При этом имеет значение теплопроводность испытываемого металла. От того, какой из этих факторов — временной или тем­ пературный —■будет иметь превалирующее влияние, а также от действия ряда других факторов и физических свойств металла будет зависеть, в конечном счете, тот или иной характер изме­ нений предела его выносливости при разных частотах нагру­ жения.

Отметим, что недостаточно изучена в этом отношении область низких частот. В частности, исследования С. И. Ратнер показали, что при переходе к низким частотам долговечность конструкцион­ ных сталей заметно снижается и чем меньше амплитуда действую­ щего колебания, тем сильнее влияние частоты. Явления усталости при малой частоте циклов, представляющие актуальный интерес для выбора металлов, используемых в турбостроении, в последние годы широко и разносторонне исследуются.

Существенное влияние на выносливость циклически нагру­ жаемого металла оказывает среда, в которой он работает. Корро­ зионная среда, действующая одновременно с циклическими на­ пряжениями, способствует интенсификации процесса зарождения субмикроскопических и микроскопических нарушений сплошности металла и зарождению трещин усталости. Выносливость металла в воздушной среде заметно выше, чем в пресной, морской воде и других коррозионных средах. Следует отметить, что раздельное воздействие на металл коррозии и процесса развития усталости существенно отличается от влияния одновременного их действия. Предел выносливости в коррозионной среде снижается тем более резко, чем агрессивнее среда.

На выносливость при циклических нагрузках влияет также масштабный фактор. По данным ряда исследований предел выносливости с увеличением размеров образцов и деталей до

щается.

Усталостные разрушения начинаются обычно с поверхностных слоев изделия. Следовательно, увеличением твердости поверх­ ностного слоя, степени наклепа и т. д. можно повысить предел выносливости изделия.

В связи с этим в машиностроении для повышения циклической прочности изделий широко применяют обкатку стальными зака­ ленными роликами, обработку чугунной или стальной дробью по­ верхности изделий, особенно в местах радиусных переходов и дру­ гих концентраторов напряжений. Для упрочняющей обкатки

созданы многочисленные приспособления к металлорежущим станкам.

Существенное снижающее влияние на выносливость металлов оказывает концентрация напряжений, определяемая различными геометрическими, технологическими, эксплуатационными и дру­ гими факторами.

Металл многих деталей турбин в процессе эксплуатации одно­ временно нагружен двумя различными по величине и частоте видами циклических нагрузок. Такое нагружение, называемое исследователями бигармоническим, возможно, например, для ра­ бочих лопаток ступеней с парциальным подводом пара. Значения предела выносливости металла в условиях бигармонического на­ гружения, как правило, ниже, чем при обычном циклическом на­ гружении.

В отдельных деталях в условиях эксплуатации возможны со­ четания воздействия статического усилия с одним, двумя и более видами переменных, циклически повторяющихся усилий.

Предел выносливости металла определяют при помощи спе­ циальных машин, позволяющих осуществлять различные виды деформации: изгиб, растяжение, сжатие, кручение и пр. Испыта­ ния для построения кривой усталости и определения предела вы­ носливости проводят на нескольких (не менее десяти) образцах, которым сообщают различные напряжения, близкие к ожидаемому значению этого предела. Напряжения выбирают по методу сбли­ жающейся «вилки». По данным испытания строят кривую «напря­ жение — число циклов» в обычных, полулогарифмических или логарифмических координатах. Широкое применение нашли ма­ шины для испытания на выносливость в условиях чистого изгиба вращающегося цилиндрического образца.

В лабораториях турбинных заводов и научно-исследователь­ ских институтов работают специальные установки, позволяющие проводить испытания на усталость в условиях вибрации образцов металла для турбинных лопаток или самих лопаток. Сооружаются установки, на которых можно испытывать на усталость не только отдельные лопатки, но и пакеты лопаток.

Испытания на усталость весьма длительны и результаты их в большой степени зависят от условий опыта и качества изготов­ ления образцов.

Разработаны и используются методы ускоренного определения предела выносливости. Большинство из них основано на исполь­ зовании связи действующих напряжений с протекающими в ме­ талле при нарастании числа циклов нагружения изменениями температуры, величины деформации металла, а также с потреб­ ной мощностью на вращение образца, величиной крутящего мо­ мента и др. Сообщая испытываемому образцу ступенчато возра­ стающие напряжения, измеряют при каждом новом напряжении температуру и другие перечисленные параметры. Исследования показали, что когда напряжения достигают величины, соответ-

68