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

совершаются по линиям GS и PS. При температурах, соответствующих линии GS,

начинается распад аустенита. Из твердого раствора выпадают кристаллы феррита. Растворимость углерода в a -железе с изменением температуры меняется по

стает с понижением температуры. При выделении феррита из аустенита содер­ жание углерода в аустените в указанном интервале температур возрастает. Концентрация углерода в аустените изменяется по линии GS. При температуре, соответствующей линии PS, происходит окончательный распад твердого раствора

кими скоростями, которые достаточно малы для того, чтобы превращения при

сплав окажется в неравновесном, метастабильном состоянии, причем это состоя­

с превращениями, происходящими в процессе вторичной кристаллизации в тве­ рдом состоянии, широко используется в практике термической обработки. При медленном охлаждении стали, содержащ ей углерода менее 0,83% , нагретой выше температуры Ас3 и имеющей структуру аустенита, последний распадается на перлит и феррит. С увеличением скорости охлаждения температура Аг3, при ко­

торой происходит превращение аустенита, понижается. Свойства и структура продуктов превращения аустенита зависят от температуры превращения. Чем значительнее степень переохлаждения, тем тоньше строение продуктов превра­ щения, больше их дисперсность и выше твердость.

Троостит. Более тонким строением, чем сорбит, характери­ зуется ферритно-цементитная смесь, называемая трооститом. При обычных увеличениях, доступных для оптического микроскопа, пластинки феррита и цементита в структуре троостита неразли-

60

чимы. Электронный микроскоп отчетливо выявляет пластинчатое строение троостита.

Мартенсит. При глубоком переохлаждении аустенита наряду с трооститом образуется мартенсит, представляющий собой типич­ ную структуру закаленной стали. Мартенсит очень тверд и хру­ пок и имеет характерное игольчатое строение. Твердость мартен­ сита достигает НВ 650. Мартенсит в зависимости от длины игл подразделяется на 10 баллов по стандартной шкале. Наибольшая длина игл первого балла (скрытоигольчатый мартенсит) под микро­

Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе. Концентрация углерода в этом растворе та­ кая же, как в аустените, из которого он образовался.

Мартенсит имеет так называемую тетрагональную кристалли­ ческую решетку в форме объемноцентрированного параллелепи­ педа с квадратным основанием. Мартенситное превращение сопро­ вождается увеличением объема стали. Сталь, имеющая структуру мартенсита, характеризуется значительными внутренними напря­ жениями. Для снижения твердости, прочности и остаточных на­ пряжений при одновременном повышении пластичности закален­ ную сталь подвергают отпуску.

В зависимости от режима отпуска мартенсит превращается в троостит, сорбит или перлит. При этом следует иметь в виду, что если при распаде аустенита на феррит и цементит последний имеет форму пластинок, то при образовании ферритно-цементитной смеси из мартенсита в процессе отпуска цементит имеет зернистую форму.

ВЛИЯНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

Специальные легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, титан, ниобий, кобальт и др.) оказывают су­ щественное влияние на свойства стали и описанные превращения, происходящие в ней при нагреве и охлаждении. К легирующим элементам относятся и такие, как марганец и кремний, если их вводить в сталь в количествах, больших, чем это требуется для осуществления технологического процесса выплавки стали. Ле­ гирующие элементы могут находиться в стали в различных состоя­ ниях: в свободном состоянии; в твердом растворе с железом; в са­ мостоятельно образуемых с углеродом химических соединениях — карбидах; в виде оксидов — соединений с кислородом, содержа­ щимся в стали; в виде интерметаллических соединений (хими­ ческих соединений между металлическими элементами).

Основное значение имеет образование в легированных сталях специальных карбидов и растворение легирующих элементов в фер­ рите и цементите. Никель, кремний и алюминий не образуют карбидов и находятся в твердом растворе; присутствие этих эле-

61

ментов микроскопическим исследованием обычно не обнаружи­ вается.

Молибден, титан, ванадий, ниобий, хром, марганец и вольфрам распределяются различным образом между карбидами и твердым раствором. Легирующие элементы упрочняют феррит, смещают критические точки в сталях, влияют на образование и распад аусте­ нита, глубину прокаливаемости стали, мартенситное превращение, рост зерна аустенита и т. д.

Режимы термообработки легированных сталей разрабатывают с учетом влияния каждого из введенных в сталь легирующих элементов.

В зависимости от видов структуры, получаемой при охлажде­ нии на воздухе легированных сталей после высокотемпературного нагрева, стали подразделяют на следующие классы:

Однако ГОСТ 5632—61 на высоколегированные стали и сплавы, где все они классифицированы по структуре подобным образом, отмечает условность этого подразделения, а также указывает, что структурные отклонения от классификационных характеристик причиной браковки стали служить не могут.

Существуют и другие классификации по структуре легирован­ ных сталей. Так, Л. Гийе предложил относить стали к трем основ­ ным классам в зависимости от структуры, получаемой после охла­ ждения на воздухе образцов небольшого сечения: перлитному (структуры перлита, сорбита, троостита), мартенситному и аусте­ нитному.

Серый перлитный чугун используют для многих деталей в тур­ бинах среднего давления. Ранее из него изготовляли цилиндры низкого давления, выхлопные патрубки, диафрагмы и другие литые детали. В течение последних десятилетий в связи с повыше­ нием параметров пара и широким применением сварки область использования чугуна в турбостроении значительно сузилась. На рис. 29 показана структура чугунного выхлопного патрубка.

Из цветных металлов и сплавов в турбостроении чаще всего используют латуни и другие цветные металлы и их сплавы, из которых изготовляют конденсаторные трубки, а также баббит, применяемый для заливки вкладышей подшипников турбин. Ла-

62

туни Л68, ЛО70 и др. являются однофазными сплавами, представ­ ляющими собой ос-твердые растворы. Структура баббита Б83 (сплав олова, сурьмы и меди) состоит из a -твердого раствора на базе олова и ß-твердого раствора на основе интерметаллического соединения олова с сурьмой (SnSb). Вводимая в сплав медь обра­ зует химическое соединение с оловом, наблюдаемое под микроско­ пом в виде игл, звездочек и пр. Изучение структуры баббита и, особенно, размеров его структурных составляющих имеет большое значение для оценки качества вкладышей.

В технических условиях на металлы, используемые в турбо­ строении, требования к микроструктуре, как правило, не предъ­

цессе эксплуатации турбин. Сфероидизация пластинок цементита в перлите, графитизация в углеродистых и низколегированных молибденовых сталях, выпадение карбидов по границам зерен в высоколегированных сталях аустенитного класса, старение сплавов— все эти явления изучают, используя микроскопиче­ ский анализ.

Из специальных видов микроисследования следует отметить определение величины зерна в сплавах, которая существенно сказывается на их свойствах. Опыт эксплуатации металлов, при­ меняемых в турбостроении, показывает, например, что от вели­ чины зерна зависит скорость ползучести, являющаяся одной из важнейших прочностных характеристик стали, работающей при высоких температурах. Зависят от величины зерна также скорость развития процесса сфероидизации и другие свойства металлов.

В стали различают наследственное и действительное зерна. Наследственное зерно— это зерно аустенита, которое сталь имеет при нагреве до температуры 900— 1000° С; его величина характери-

63

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

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