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

для детали может быть допущена более или менее значительная деформация, например 8— 10%, то такая деформация оказывается все же недопустимой и опасной, так как металл, длительно нагру­ женный в условиях высокой температуры, проявляет при разру­ шении значительно меньшую пластичность, чем в условиях ком­ натной температуры. При высоких температурах часто происходят хрупкие, почти бездеформационные разрушения металла, причем тот же металл, вновь испытанный при комнатной температуре, обнаруживает нормальную пластичность.

Исследования металла, доведенного растяжением до разруше­ ния при нормальной температуре, свидетельствуют о том, что зерна металла значительно деформиро­ ваны в направлении действующего усилия и разрушение происходит по зернам. Такому растяжению предшествует значительная пла­ стическая деформация металла.

Образец разрывается при высоких значениях относительного удлине­ ния и сжатия.

Иная картина наблюдается при разрушении после длительного воздействия высоких температур. Деформация зерен значительно уменьшается, зерна сдвигаются относительно друг друга, между зернами образуются микротре­ щины, целостность металла нару­

шается. В этом случае предшествующая разрушению пластическая деформация оказывается весьма незначительной.

При нормальной температуре прочность зерна металла меньше, чем прочность сцепления зерен. Поэтому разрушение металла происходит по зерну и является внутрикристаллическим. С по­ вышением температуры прочность зерен уменьшается, но одновре­ менно и притом с большей скоростью уменьшается прочность по

в зависимости от повышения температуры схематически показано на рис. 37. Выше температуры, которая соответствует точке пере­ сечения линий, характеризующих указанные зависимости, раз­ рушение происходит по границам зерен и является межкристал­ лическим. Температуру, при которой прочность зерен и прочность по их границам равны, называют температурой равной прочности. Разрушение металла после длительной работы в условиях ползу­ чести происходит обычно по границам зерен.

Сопротивляемость металлов ползучести зависит от многих фак­ торов: химического состава; технологического процесса выплавки,

90

ковки и термической обработки; величины зерна; характера и величины структурных составляющих; степени загрязненности стали и т. д. Чем выше температура, при которой работает металл, и чем значительнее действующие на него напряжения, тем при прочих равных условиях больше скорость ползучести.

Влияние изменения температуры очень велико. Скорость пол­ зучести увеличивается весьма существенно даже при небольшом повышении температуры. Поэтому нужна тщательная оценка тем­ пературных условий, в которых работает металл. Даже относи­ тельно небольшая ошибка в их определении может привести к тому, что деформация ползучести превзойдет допустимую, и нормальная работа машины нарушится.

Кроме температуры и напряжения, играющих решающую роль в развитии процесса ползучести данного металла, существенное влияние на скорость ползучести оказывают изменения структуры металла, старение и другие факторы. Многообразие этих факторов и отсутствие возможности количественно оценить их влияние ме­ тодами теоретического анализа или расчета приводит к необхо­ димости проводить соответствующие исследования и испытания на образцах и моделях деталей.

Критерием для оценки сопротивления металла ползучести служит так называемый условный предел ползучести — напря­ жение, вызывающее определенную скорость ползучести или опре­ деленную суммарную деформацию детали за намечаемый период ее работы. Скорость ползучести, как отмечалось выше, изменяется в зависимости от температуры. Поэтому условный предел ползу­ чести определяют обычно для рабочей температуры металла и для температур, близких к ней. Условный предел ползучести можно устанавливать на базе допустимой скорости ползучести или до­ пустимой суммарной деформации. В первом случае на основании первичных кривых ползучести, полученных при различных на­ пряжениях и температурах испытаний, строят в логарифмической системе координат зависимость между напряжением сг и ско­ ростью и ползучести для различных температур t. Отсюда полу­ чают диаграмму значений предела ползучести при различных тем­ пературах для допустимых скоростей ползучести, которыми за­ даются.

Во втором случае на основании тех же первичных кривых пол­ зучести строят зависимость между напряжением и суммарной де­ формацией е металла при различной длительности Ѳ испытаний. На основании обработки этих кривых получают значения предела ползучести при различных температурах для заданной суммарной деформации (например, 1%) и принятой длительности эксплуа­ тации.

Исследования ползучести проводят на специальных машинах. Наиболее распространенными являются испытания на ползучесть в условиях одноосного растяжения цилиндрических образцов по­ стоянным усилием при заданной температуре. Принципиально

91

такое испытание на ползучесть несложно и заключается в том, что образец исследуемого металла длительно выдерживают в печи при заданной температуре под действием постоянной нагрузки. Перио­ дически осуществляемые в ходе испытания измерения удлинения рабочей части образца позволяют судить о деформации нагру­ женного образца с течением времени.

Это простое испытание значительно усложняется в связи с не­ обходимостью обеспечения высокой степени постоянства темпера­ туры и равномерности ее распределения по

пературы испытания в любой его момент и в любой точке расчетной длины образца составляют ±3 и ±4° С соответственно при температурах нагрева до 600° С и от 600 до 900° С. Общая про­ должительность испытания каждого образца должна составлять не менее 2000—3000 ч, причем на прямолинейном участке кривой ползучести не менее 500 ч.

Испытаниям на ползучесть подвергают не менее четырех образ­ цов при одинаковой температуре и разных напряжениях. Такие испытания повторяют при трех различных температурах. На осно­ вании результатов приведенных испытаний можно определить условный предел ползучести по ее скорости или величине дефор­ мации. Предел ползучести обозначают а с верхним и нижним ин-

92

дексами. В верхнем индексе указана температура испытаний в °С. При определении предела ползучести по ее скорости нижний индекс обозначает заданную скорость ползучести в %/ч. Если предел ползучести определяют по величине деформации, то в двух нижних индексах показывают заданное удлинение в процентах и продолжительность испытания в часах. Так, для примера, в пер­

вом случае обозначение предела ползучести crf??0_5, а во втором

0 0 ,2.3000−

Найденные указанными методами значения предела ползу­ чести справедливы при заданных температуре и напряжении для срока службы, близкого к длительности испытания. Однако для практических целей необходимо оценить значение предела ползучести применительно к периоду эксплуатации турбин до 100 000 ч и более. Эксперименты с такой длительностью пребы­ вания образца под нагрузкой можно осуществить лишь в единич­ ных случаях. Поэтому чтобы определить скорость ползучести для реальных сроков службы, необходима экстраполяция от резуль­ татов сравнительно кратковременных испытаний к величинам, принятым для металлов деталей мощных паровых турбин, работаю­ щих при высоких температурах. Для этого пользуются прибли­ женной зависимостью

ѵр = Аап,

где Ѵр — установившаяся скорость ползучести, условно прини­ маемая за постоянную; а — напряжение; A n n — коэффициенты, постоянные для данной температуры и металла.

Влогарифмической системе координат (lg ѵр — lg а) эта за­ висимость представляет собой прямую линию.

Влабораториях турбинных заводов и научно-исследователь­ ских институтов для испытаний металлов на ползучесть при растя­ жении используют установки конструкции ЦНИИТМАШа, ЦКТИ им. И. И. Ползунова и др.

Машины для испытаний на ползучесть должны работать в та­ ких условиях, которые исключают возможность вредного влияния толчков и вибраций, создаваемых работающими поблизости порш­ невыми машинами, ковочными молотами, крупными металлоре­ жущими станками, транспортными устройствами— кранами, авто­ машинами и пр. Машины для таких испытаний целесообразно уста­ навливать в подвальных помещениях на достаточно массивных фундаментах или на фундаментах с виброизоляцией.

Исследования ползучести металлов с применением способа экстраполяции даже при относительно небольшой продолжитель­ ности испытаний каждого образца являются процессом весьма длительным. При этом надежность оценки значения предела пол­ зучести не всегда оказывается достаточно высокой, так как ско­ рость ползучести зависит от многих факторов. Для данного сплава к таким факторам можно отнести изменение содержания легирую­ щих элементов в пределах марочного состава сплава, степень

93