книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

Глава /

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ

Металлы, применяемые в турбостроении, подвергают различ­ ным анализам, испытаниям и исследованиям с целью определения их пригодности для работы в турбине. На турбостроительных за­ водах металлы подвергают стандартным анализам и испытаниям: химическому анализу, испытаниям на растяжение, ударную вязкость, микроанализу и т. д. Кроме этого, выполняют специаль­ ные исследования: тепловые испытания валов и роторов; опреде­ ление остаточных напряжений в дисках и др. Важным условием эффективности испытаний металлов основных деталей турбин, осуществляемых как в процессе изысканий новых или модифи­ кации существующих, так и в ходе текущего производственного контроля, должен быть комплексный их характер, позволяющий широко и разносторонне изучить свойства металла и правильно оценить его пригодность для надежной работы.

Комплекс необходимых испытаний и исследований надо раз­ рабатывать конкретно для каждого вида металлических деталей с учетом условий их последующей работы. Применительно к те­ кущему контролю качества комплекс испытаний предусматри­ вается Государственными стандартами и межведомственными, отраслевыми или заводскими техническими условиями. Особенно широким и разнообразным испытаниям подвергают металлы ответ­ ственных деталей роторной группы — рабочих лопаток, дисков и др.

ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Втурбостроении применяют большое количество углеродистых

илегированных сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов. Свойства металла в значительной степени предопределены его химическим составом. Содержание в стали таких элементов, как углерод, марганец, хром, кремний, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан, ниобий и др., решающим образом сказывается на прочности, пластичности, твердости, жаропрочности, корро­ зионной стойкости и на других важнейших свойствах сталей.

Определение химического состава стали позволяет правильно выбрать режим ее термической обработки. Равным образом необ­ ходим химический анализ для оценки свойств чугунов и цветных металлов. Знание химического состава отливок, поковок, штам-

11

повок и проката, применяемых в производстве турбин, необхо­ димо для оценки надежности их работы.

Чтобы определить химический состав заготовки, берут пробу в виде стружки. При отборе проб необходимо иметь в виду, что химический состав поковки, отливки, прокатанной полосы не бывает вполне однородным. Если проба металла для анализа будет взята без учета особенностей химического состава различных зон заготовки или изделия, то можно получить ошибочное представ­ ление о составе металла, из которого они изготовлены.

Существенное значение имеет техника отбора пробы. Поверх­ ность металла перед снятием стружки следует, тщательно очистив от окалины, шлака, песка, краски, масла и пр., довести при по­ мощи наждачного камня или наждачной бумаги до металличе­ ского блеска. Пробу отбирают в виде мелкой стружки при помощи сверления, точения, строгания или фрезерования.

Существуют различные методы определения элементов хими­ ческого состава в металлах. Исследуемый элемент переводят в определенное химическое соединение, воздействуя на стружку теми или иными реактивами. Последующее выделение полу­ ченного химического соединения позволяет найти процентное содержание элемента в сплаве. Способы количественного хими­ ческого анализа установлены Государственными стандартами.

Точность определения элементов химического состава сталей и чугунов (табл. 1) необходимо учитывать при рассмотрении ре­ зультатов анализов, особенно в случаях, когда содержание того или иного элемента незначительно отклоняется от установленного техническими условиями или стандартами.

В практике работы турбинного завода иногда возникает необ­ ходимость в короткие сроки установить, содержится ли в данном металле тот или иной легирующий элемент. Разработаны методы быстрого качественного определения содержания в стали или чугуне хрома, никеля, молибдена и других элементов.

Широкое применение на турбинных заводах получил спек­ тральный (спектрохимический) метод анализа, достоинством ко­ торого является быстрота исполнения. Анализ выполняют непо­ средственно на готовом изделии, его заготовке или образце. Ана­ лизу подвергают светящиеся пары металла. Для перевода иссле­ дуемого металла из твердого в парообразное состояние между этим металлом и электродом из чистого материала (железо, уголь, медь) возбуждают электрическую дугу. Излучение каждого эле­ мента характеризуется определенными значениями длин волн лучей. Интенсивность излучения зависит от концентрации дан­ ного элемента в исследуемом металле. Свет, излучаемый парами металла при горении дуги, направляют через узкую щель в спек­ тральный аппарат, представляющий собой набор призм и линз. Здесь свет разлагается с образованием линейчатого спектра.

12

1. Точность определения элементов химического состава сталей и чугунов

Б. Стали и чугуны легированные

13

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Механические свойства металлов являются важнейшими ха­ рактеристиками, без знания которых нельзя ни правильно выбрать металл для той или иной турбины, ни сконструировать и рассчи­ тать эту деталь так, чтобы она надежно работала. Оценивать проч­ ность металлов следует применительно к различным видам нагру­ жения, имеющим место в эксплуатации. Рабочие напряжения, испытываемые деталями турбин в процессе эксплуатации, обуслов­ лены различными факторами. В зависимости от назначения, конфигурации и характера работы деталей турбин возникающие в них напряжения могут быть постоянными по величине и знаку или переменными. В отдельных деталях турбин (рабочие лопатки, диски и др.) одновременно возникают, накладываясь друг на друга,

Рис. 3. Образцы для испытаний металлов на растяжение: а — цилиндрический: б — плоский

различные виды напряжений, например, статические от действия центробежных сил и знакопеременные от вибрации.

Один и тот же металл по-разному ведет себя в условиях раз­ личных видов нагружения. Например, чугун хорошо выдержи­ вает сжимающие нагрузки и значительно хуже — растягивающие. Сталь некоторых марок может обладать высокой прочностью при статическом растяжении и низкой — при динамических нагрузках.

Испытание на растяжение. Наибольшее распространение в тур­ бостроении получили испытания механических свойств металлов на растяжение до разрыва. Эти испытания позволяют определить характеристики прочности и пластичности металлов в условиях статического одноосного нагружения. На растяжение обычно испытывают образцы, типичные формы которых приведены на рис. 3. Наибольшее распространение имеют цилиндрические образцы, у которых расчетная длина в 10 или 5 раз больше диа­ метра. Образец с диаметром рабочей части 10 мм называют нор­ мальным, образцы с другими диаметрами — пропорциональными. Образцы для испытаний на растяжение должны отвечать требо­ ваниям ГОСТа 1497—61.

В технических условиях на поставку металла и заготовок для деталей турбин обычно предусмотрены испытания на растяже­ ние цилиндрических образцов с диаметром рабочей части 10 мм и длиной расчетной части 50 мм. Исключение составляют случаи, когда форма изделия или заготовки не позволяет изготовить

15

Форма и размеры головок испытываемых образцов могут быть различными и зависят от конструкции и размеров захватов ма­ шин, на которых проводят испытания. Общими для всех образ­ цов, независимо от их формы и размеров, являются следующие требования: высокая степень чистоты поверхности рабочей части и отсутствие на ней царапин и рисок; плавные переходы от рабо­ чей части образца к головкам, исключающие возможность замет­ ной концентрации напряжений в процессе испытания на растя­ жение.

Машины для испытаний на растяжение обычно снабжены са­ мозаписывающими приборами, которые вычерчивают кривую

или диаграмму растяжения. На рис. 4 показана типичная диа­ грамма растяжения для мягкой углеродистой стали.

При испытаниях на растяжение турбинных материалов обычно определяют следующие характеристики:

Предел текучести (физический) оТ в кгс/мм2 — это наимень­ шее напряжение, при котором, несмотря на продолжающуюся деформацию испытываемого образца, не происходит заметного увеличения нагрузки. Предел текучести подсчитывают, как отно­ шение нагрузки, соответствующей началу текучести, к первона­ чальной площади поперечного сечения образца.

На диаграммах многих металлов при их испытаниях на растя­ жение не получаются площадки текучести (рис. 5). Такой характер диаграмм наблюдается при растяжении легированных сталей, некоторых цветных металлов и др. При испытаниях металлов, применяемых в турбостроении, в большинстве случаев приходится иметь дело с диаграммами, на которых нет отчетливо выраженной площадки текучести. Для таких металлов определяют условный предел текучести (а0і2 в кгс/мм2) — напряжение, вызывающее в образце остаточное удлинение, величина которого составляет 0,2% начальной расчетной длины образца. Условный предел текучести определяют соответствующей графической обработкой диаграммы растяжения (рис. 6) или при помощи тензометра про­ стой конструкции.

16

При оценке пригодности того или иного металла к эксплуата­ ции в условиях комнатной температуры или при относительно невысоких температурах (до 350—400° С) пределу текучести уде­ ляют особое внимание, так как он является расчетной характе­ ристикой. Применительно к нему определяют и запас прочности. Если предел текучести по результатам испытаний оказывается ниже требуемого по техническим условиям, необходимо прояв­ лять должную осторожность при решении вопроса о пригодности металла. В этом случае обращают внимание на разницу между рас­ четным и фактическим запасами прочности; проверить, не стано­ вится ли фактический коэффициент запаса для рассматриваемой детали меньше, чем минимальный, допущенный конструктором для данной группы деталей; оценить возможное влияние кон­ центрации напряжений у шпоночной канавки, у малого переход­ ного радиуса и других концентраторов напряжений, обусловлен­ ных конструктивными формами или технологией изготовления данной детали; учесть, что кроме рабочих напряжений могут иметь место остаточные напряжения, появившиеся вследствие терми­ ческой обработки, сварки или других операций. Во многих слу­ чаях не следует допускать излишне высоких значений предела те­ кучести, поэтому техническими условиями на отдельные металлы для турбин ограничены как минимальная, так и максимальная допускаемые величины предела текучести.

Предел прочности или временное сопротивление (ав в кгс/мм2) представляет собой условное напряжение, соответствующее наи­

дающейся при испытании, к площади поперечного сечения образца до испытания:

, Здесь Рв определяют измерением максимальной ординаты на диаграмме растяжения, записанной в процессе испытания, или по шкале измеряющего аппарата, установленного на испыта­ тельной машине. Условный характер ов определяется тем, что максимальное усилие растяжения относится не к фактической площади поперечного сечения образца в момент приложения на­ грузки Рв, а к первоначальной площади этого сечения до растя­ жения образца. Действительное напряжение, соответствующее усилию Рв, больше условного напряжения, называемого пределом прочности.

Относительное удлинение после разрыва (б в %). В процессе испытания на растяжение образец удлиняется на некоторую величину, которая зависит от структуры и свойств металла. Отношение приращения расчетной длины образца к ее первона­ чальному значению, выраженное в процентах,

называется относительным удлинением и является одной из ха­ рактеристик пластичности металла. Общее приращение длины образца в процессе испытания на растяжение складывается из двух элементов — равномерного удлинения всей расчетной длины и местного удлинения, сосредоточенного на том участке расчет­ ной длины, где образуется шейка. Местное удлинение занимает очень ограниченную часть длины образца, не превышающую

.обычно двух его диаметров. Однако и в этой небольшой зоне удли­ нение распределяется весьма неравномерно. Таким образом,

А/ — бх + б2,

где бх — равномерное удлинение; б2 — местное удлинение образца

взоне образования шейки.

Сдостаточной для практики точностью можно принять, что часть, приходящаяся на равномерное остаточное удлинение,

прямо пропорциональна расчетной длине образца, а приходя­ щаяся на местное удлинение — квадратному корню из площади поперечного сечения, т. е.

6 i = ß/ „; б 2 = у Ѵ К >

Величина относительного удлинения, как видно из последней формулы, зависит от расчетной длины /0 испытываемого образца и площади его поперечного сечения F 0. Относительное удлинение при прочих равных условиях тем больше, чем больше отношение

У FJl0. Для металлов, которые разрушаются без образования шей­ ки, относительное удлинение определяется только равномерным удлинением и значение относительного удлинения будет для одного

итого же металла постоянным при различных отношениях У F0/l0. В случае разрыва с образованием шейки сосредоточенное удлине­ ние зависит только от F0 и охватывает лишь небольшую часть расчетной длины образца, не сказываясь на остальной ее части.

Таким образом, чем больше расчетная длина образца при одном

итом же его диаметре, тем меньше влияние сосредоточенного удлинения на общую величину удлинения образца и тем меньше, следовательно, значение относительного удлинения б.

Для десятикратного отношения (l0/d0 = 10) имеем

18

Соблюдение этих соотношений длины и диаметра образцов позволяет сравнивать результаты определения относительного удлинения для различных металлов. Эти соотношения исполь­ зуют и при выборе размеров образцов с прямоугольным сечением. Иногда в производственных условиях не представляется возмож­ ным изготовить образцы с обычным соотношением /0 и d0, например, когда длина пробного припуска на испытываемой детали меньше необходимой, или требуется повторное испытание, а остаток припуска мал. В некоторых случаях и при достаточном запасе металла для изготовления стандартных образцов представляется необходимым провести испытания при иных значениях отношения l'Jdо., например при l0/d0 = 4, для сравнения с данными, приве­ денными в литературе применительно к таким образцам.

Для ориентировки в подобных случаях в табл. 2 даны опреде­ ленные по одной из существующих экспериментальных формул