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

ствующей пределу выносливости металла, указанные параметры обычно резко возрастают.

Существенное значение имеют способ крепления образца, ра­ диус закругления граней зажимных плашек в тех местах, где они касаются образца, форма и размеры последнего, чистота обра­ ботки его поверхности и характер напряжений.

Величина предела выносливости некоторых сталей, как уже отмечалось, близка к 0,5 значения их предела прочности. В ряде случаев оказывается справедливой эмпирическая формула

<т_! «=! 0,25 (ав + стт) + 5 кгс/мм2,

где а_х — предел выносливости при изгибе; сгт и ав — пределы текучести и прочности.

Получаемые по этой формуле значения а_х могут служить лишь для предварительной ориентировки, для выбора напряжений при длительных испытаниях и т. д.

Величина предела выносливости одного и того же металла при различных видах нагружений различна. Например, по результа­ там некоторых исследований предел выносливости при растяже­ нии — сжатии может быть равен пределу выносливости того же металла при изгибе или превышать его, причем это превышение может достигнуть двукратного. Величина предела выносливости того же металла при кручении составляет 0,45—O Ja^.

Анализ повреждений рабочих лопаток, дисков и других деталей турбин свидетельствует о том, что чаще всего разрушение начи­ нается и развивается в зонах концентрации напряжений, которая существенно сказывается на долговечности деталей и конструкций как в условиях действия статических, так и динамических и знако­ переменных нагрузок. Для исследований выносливости металла в условиях концентрации напряжений применяют образцы с коль­ цевыми выточками и симметричными надрезами круглого и Ѵ-об- разного профиля.

Степень концентрации напряжений обычно характеризуют коэффициентом концентрации — отношением максимального на­ пряжения в зоне концентрации к номинальному напряжению в том же месте. Влияние концентрации напряжений на величину предела выносливости оценивают эффективным коэффициентом концентрации напряжений. При симметричных циклах этот коэф­ фициент определяют как отношение предела выносливости глад­ кого образца к пределу выносливости образца с концентрацией напряжений.

Излом металла, работающего при циклических нагрузках, пре­ вышающих его предел выносливости, имеет характерные особен­ ности, позволяющие легко отличить его от обычного разрушения под воздействием статических нагрузок. В изломе, образовавшемся под действием переменных нагрузок, наблюдаются две существенно отличающиеся зоны: одна очень гладкая (мелкозернистая),

69

и другая, близкая по строению к обычному для данного металла виду излома от статической нагрузки.

При изучении причин разрушения деталей под воздействием циклических нагрузок следует использовать результаты специ­ альных исследований, посвященных анализу вида и характера изломов. Начинать изучение необходимо именно с излома, так как часто определение его вида оказывается достаточным для того, чтобы правильно установить путь всего исследования.

При исследовании случаев разрушения необходимо также оце­ нивать ориентировочно число циклов нагрузки, которые могла испытать сломавшаяся деталь за время ее работы. Если разру­

ВИЯХ циклических на­ грузок — циклической вязкости, под которой понимают способ­ ность металлов поглощать в необратимой форме, не разрушаясь, механическую энергию при воздействии переменных, циклически повторяющихся напряжений. Величина циклической вязкости характеризуется работой, необратимо поглощаемой металлом на единицу объема за один полный цикл нагружения, и проявляется в несоответствии деформации напряжениям (явление гистерезиса). Энергию гистерезиса металлов определяют обычно при изучении свободного затухания колебаний образца, записываемых при по­ мощи осциллографа или иного прибора. При этом на полученной кривой затухания (рис. 31) выбирают участок, имеющий п полных периодов колебаний, измеряют амплитуды аг и ап колебаний, ограничивающих этот участок, и устанавливают величину ло­ гарифмического декремента затухания

g__lnay — ln ап

п— 1

Если обозначить через W энергию одного упругого колебания и через АW потерю энергии на деформацию за один цикл, то от­ ношение ф = AWIW будет характеризовать рассеяние энергии. Энергия колебания прямо пропорциональна квадрату его ампли­ туды, поэтому W = ka2-, AW = dka2 = 2kada,

70

Таким образом, коэффициент рассеяния энергии равен удвоен­ ному логарифмическому декременту затухания колебаний.

Исследования (при напряжениях, равных пределу выносли­ вости металла) циклической вязкости многих металлов, применяе­ мых в машиностроении, позволяют сделать следующие выводы:

величина циклической вязкости не зависит от предела вынос­ ливости;

из двух металлов с одинаковыми значениями предела выносли­ вости более высокой работоспособностью при переменных цикли­ ческих нагрузках и наличии участков концентрации напряжений обладает тот металл, циклическая вязкость которого больше;

наклеп и термическая обработка (закалка с высоким отпуском) в ряде случаев уменьшают циклическую вязкость металла;

крупнозернистая сталь, по-видимому, имеет большую цикли­ ческую вязкость, чем мелкозернистая (это положение требует дополнительной экспериментальной проверки);

чугун имеет весьма значительную циклическую вязкость; цветные металлы и сплавы, как правило, имеют малую цикли­

ческую вязкость.

Циклическая вязкость металла изменяется в зависимости от величины сообщаемых ему циклических напряжений, от нара­ стания числа циклов и пр.

МЕТОДЫ ДЕФЕКТОСКОПИИ

Дефекты металла (трещины, раковины, волосовины и др.) могут явиться причиной выхода из строя турбины в период эксплуатации. Для выявления этих дефектов используют различные методы.

Магнитный метод. Широкое применение в турбостроении на­ шел магнитный метод выявления дефектов металла, применяемый для контроля качества лопаток и дисков, реже — валов и ро­ торов.

Чтобы выявить тонкие трещины, волосовины и другие дефекты, невидимые невооруженным глазом, турбинные лопатки подвер­ гают контролю методом магнитной суспензии. Испытываемую ло­ патку намагничивают при помощи сильного электромагнита по­ стоянного или переменного тока (предпочтительнее применение постоянного тока), затем погружают в сосуд с керосином, в котором во взвешенном состоянии находится очень мелкая металлическая пудра. Кроме керосина можно применять также отработанное трансформаторное масло, негустое веретенное масло или водно­ щелочные растворы разного состава (например, 10 г углекислого натрия, 5 г двухромовокислого калия, 5 г эмульгатора и 30 г магнитного порошка).

71

Если на лопатке имеется тонкая трещина, то металлическая пудра оседает на ее краях, как на полюсах магнита, четко обри­ совывая трещину. При этом методе используется остаточное на­ магничивание испытываемой лопатки. Можно намагничивать ло­ патку и в течение всего времени ее нахождения в суспензии. В этом случае испытание может оказаться более эффективным вследствие большей интенсивности намагничивания. Лопатку можно не по­ гружать в суспензию, а обливать ею, делая это весьма осторожно, чтобы не смыть оседающий на краях трещины порошок. Методом магнитной суспензии хорошо выявляются дефекты, ориентиро­ ванные в направлении, перпендикулярном к магнитному сило­ вому потоку, или под небольшими углами к этому направлению.

Лопатку можно намагничивать не только при помощи электро­ магнита но и помещая ее в поле соленоида. Используют также и так называемое циркулярное намагничивание полем тока, непо­ средственно пропускаемого через лопатку.

Испытание изделия методом магнитной суспензии целесооб­ разно проводить дважды: один раз при продольном намагничи­ вании в магнитном поле и второй раз — при циркулярном на­ магничивании. Очередность испытаний роли не играет; иногда их осуществляют одновременно, используя комбинированное на­ магничивание. Двойное испытание целесообразнее, так как каж­ дое в отдельности выявляет только определенные и притом раз­ личным образом ориентированные дефекты. Сочетание двух мето­ дов позволяет выявить дефекты, расположенные в лопатке любым образом.

После магнитных испытаний лопатку следует размагнитить, для чего в установках предусмотрены специальные соленоиды или электромагниты. Если намагничивание осуществляли в по­ стоянном магнитном поле, то и размагничивание проводят в та­ ком же поле. При размагничивании обязательна перемена направ­ ления поля по отношению к полю намагничивания и постепенное уменьшение напряженности поля до нуля. Если изделие намагни­ чивали в переменном поле, то и размагничивание проводят в та­ ком же поле с напряженностью, дрстепенно убывающей до нуля. Напряженность размагничивающего поля должна быть несколько выше, чем намагничивающего.

Аналогичным испытаниям подвергают пружины. При выборе способа намагничивания следует иметь в виду, что в пружинах дефекты часто располагаются на поверхности проволоки в направ­ лении, параллельном ее оси.

Турбинные диски также испытывают методом магнитной сус­ пензии. Обычно этим методом исследуют намагниченную внутрен­ нюю поверхность втулочной части диска, поливая ее суспензией.

Суспензию иногда приходится изготовлять непосредственно на заводе. Простой и проверенный способ ее приготовления следую­ щий. В качестве исходного материала используют измельченную в пудру окись железа в виде железного сурика или крокуса. Эту

72