книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

структуры, а также для измерения макро- и микротвердости. Ана­ логичной подготовке подвергают исследуемую деталь или образцысвидетели, выпрессованные из нее. Различные способы обработки поверхности для металлографического исследования, методика травления и проведения исследований, технология измерения мак­ ро- и микротвердости подробно описаны в специальной литературе по металловедению и прочности металлов и сплавов [115, 116] и в работах, освещающих методику измерения температуры вращаю­ щихся деталей [20, ПО]. Здесь лишь приведены краткие сведения для общего представления.

В результате теплового воздействия поверхность исследуемых деталей и образцов покрывается окисной пленкой, которую удаля­ ют травлением или шлифовкой. Затем металлическую поверхность окончательно шлифуют и полируют различными способами (в за­ висимости от химического состава и физико-механических свойств материала). Микроструктуру выявляют травлением образцов раз­ личными реактивами. Распространены два способа выявления мик­ роструктуры образцов: химическое травление растворами и элект­ ролитическое травление с помощью электрического тока. Под дей­ ствием химических реагентов в чистых металлах и однофазных сплавах прежде всего выявляют границы между отдельными зер­ нами. В многофазных сплавах, помимо реактивов для выявления геометрических очертаний различных фаз, применяют реактивы для избирательного травления. В качестве реагентов для травления используют различные щелочи, неорганические и органические ки­ слоты и их смеси. Д л я визуального наблюдения и фотографирова­ ния наибольшую контрастность обеспечивают кислоты и их смеси. Растворы, действующие как окислители, окрашивают зерна в раз­ личные цвета. Благодаря этому микроструктура поверхностей, под­ вергающихся тепловому воздействию, получает различную окраску; это позволяет путем сравнения с эталонами составить общее пред­ ставление о тепловых полях, имевших место на поверхности де­ талей.

Параллельно с этим на эталонных образцах, образцах-свидете­ лях и исследуемых деталях замеряют макро- и микротвердость. Предпочтительней метод микротвердости. Дело в том, что макро­ твердость измеряют прибором, использующим размеры лунок, об­ разуемых вдавливанием шарика, при условии, что опыт произво­ дится на гладкой поверхности. В то же время исследуемые детали и образцы-свидетели в большинстве случаев имеют цилиндричес­ кую или лекальную форму с малыми и переменными радиусами кривизны. Это вызывает побочные явления даже при вдавливании шарика малых размеров (2,5 мм) и приводит к получению вместо круга лунки сложных очертаний; в результате значительно увели­ чиваются погрешности при вычислении величины твердости. Более точные результаты обеспечивает измерение микротвердости; ее оценивают по глубине вдавливания алмазной пирамидки или по глубине наносимых алмазной пирамидкой царапин. Д л я этого обычно используют серийно выпускаемые приборы ПМТ-2 и ПМТ-3.

180

По результатам многократных измерений строят график зави­ симости микро- и макротвердости от температуры нагрева и време­ ни выдержки образцов. На графике обычно видна зона разброса,, ограниченная экстремальными значениями твердости. Для исполь­ зования графика берут средние показания твердости при каждой температуре. Полученные данные сравнивают с результатами из­ мерения на исследуемой детали или образцах-свидетелях. Практи­ ка показала, что в условиях различной термической обработки на результаты измерения микротвердости влияет нагрузка, т. е. сила вдавливания пирамидки. Поэтому построение эталонного графика и определение микротвердости исследуемой детали или свидетеля должны проводиться при какой-либо одной нагрузке.

Тарировочные кривые для большинства металлов и сплавов имеют близкий друг к другу характер. Наибольшее неудобство при их использовании создается наличием максимума, т. е. перегиба кривой в зоне умеренных температур. Твердость металла по мере повышения температуры, воздействовавшей на образец до измере­ ния, сначала возрастает, а затем снижается. Место расположения максимума твердости для различных материалов смещается; в зо­ не максимума становится невозможным использование тарировочной кривой для установления эволюции микротвердости исследуе­ мой детали.

Из сказанного следует, что микроструктурный метод контроля температуры носит субъективный характер, точность определения температуры зависит от зрительных впечатлений. Применение ме­ тода микро- и макротвердости исключает субъективный элемент — температура устанавливается сравнением величин, измеренных достаточно точными приборами. Надежные результаты измерения температуры отмечаются лишь при комплексном использовании металлографического метода. При этом результаты исследования твердости и микроструктуры дополняют друг друга, создается воз­ можность корректировки полученных данных. Точность определе­ ния температуры достигает 3—4% от максимальной температуры по шкале. Точность метода возрастает при применении закаленных образцов-свидетелей из стали марок У8А и У10А, запрессованных в различных участках детали. Применение образцов-свидетелей по­ зволяет также расширить диапазон измеряемых температур (до 300—1000° С) .

Основными недостатками метода являются трудоемкость вы­ полнения эксперимента и, что особенно важно, невозможность ус ­ тановления тепловых динамических явлений в процессе эксплуата­ ции деталей. При этом методе исследования устанавливают лишь максимальную температуру разогрева различных участков деталей, динамика колебаний температуры остается неизвестной.

Определенное распространение получил метод термокрасок. Он основан на том, что некоторые красители, например комплексные иодно-ртутные соли меди или серебра (Cu2 HgT 4 или Ag 2 HgJ 4 ), при достижении определенных критических температур многократно и: обратимо меняют свой цвет. Другие, например метилоранж, фенол-

181

фталеин, флуоресцин, дифениламин, молибденовокислый аммоний, при реакции с нафталином, щавелевой кислотой, гашеной известью, глюкозой и некоторыми другими веществами при достижении кри­ тических температур, определенных для данного химического сос­ тава, меняют свой цвет однократно или многократно, но необрати­ мо. Такие красители сохраняют измененный цвет и после снижения температуры до исходной.

Вещества, необратимо изменяющие свой цвет под воздействием температуры, называют термокрасками и используют в качестве термоиндикаторов максимальных температур. Химические заводы поставляют промышленности целые наборы термокрасок. Из них составляют температурную шкалу с интервалами в 10—40° С в пределах от 45 до 780° С. Для общего представления о характере необратимого однократного и многократного изменения цвета тер­ мокрасок в табл. 5.1 приведены сведения для некоторых наборов.

Термокраски необратимого однократного и многократного дей­ ствия успешно применяют для определения максимальных темпе­ ратур нагрева деталей машин в эксплуатации [114].

Перед испытанием поверхность исследуемой детали тщательно очищают от различных отложений (нагара, смолы, окисных пле­ нок), а затем обезжиривают бензином или ацетоном. После этого на нее наносят термокраски с критическими температурами, близ­ кими к ожидаемым значениям рабочих температур детали. Термо­ краски наносят параллельными полосками; ориентировка полосок относительно радиуса или периферии зависит от предполагаемой конфигурации тепловых полей. Подготовленную таким образом де­ таль монтируют в испытуемый агрегат и включают его на задан­ ный режим работы. По окончании цикла испытаний агрегат демон­ тируют. По изменению цвета термоиндикаторов определяют мак­ симальные температуры разогрева соответствующих участков детали.

При достаточно полном наборе термокрасок этим способом можно помимо максимальной температуры разогрева определять тепловые поля в виде изотермических поясов или зон. Следует, од­ нако, иметь в виду, что термокраски обладают определенной теп­ ловой инерционностью.

Перемена окраски при критической температуре наступает при­ мерно через 30 сек, в течение этого времени температура не долж­ на снижаться; если же. температура превышает критическую, то термокраска меняет цвет за несколько секунд.

В тех случаях, когда деталь прогревается в течение длительного времени, окраска может изменяться при температуре несколько ниже критической. Кроме этого, фактическая критическая темпе­

±40° С при высоких температурах [114].

Достоинствами способа термокрасок являются простота осу­ ществления и небольшая затрата времени, серьезным недостат-

182

ком — сложность нанесения красок: краска плохо держится на по­ верхностях, соприкасающихся друг с другом и обдуваемых потока­ ми газа. Отмечаются случаи отслаивания и полного удаления красок в процессе эксперимента. Кроме того, если среда, в которой находится исследуемая деталь, содержит продукты сгорания, то на красках образуются налеты, затрудняющие различение цветов. Все это ограничивает область применения термокрасок.

Еще менее распространен метод плавких вставок. Для опреде­ ления температурных полей этим методом в исследуемых объектах высверливают ряд отверстий, в которые вставляют пробки или капсулы с плавкими веществами, составляющими своими точками плавления определенный температурный ряд. После работы объек­ та в заданном режиме осмотром капсул или отверстий устанавли­ вают максимальную температуру разогрева данного участка де­ тали.

При измерении температур в участках деталей, разогревающих­ ся в пределах 100—900° С, в качестве плавких вставок применяют чистые металлы и эвтектические сплавы. Наиболее распространен­ ные композиции приведены в работах [114, 117].

определяли с помощью плавких вставок, непригодна для дальней­ шей эксплуатации. Тем не менее в отдельных случаях плавкие

18&

вставки являются удобным индикатором максимальных темпера­ тур для определения тепловых режимов работы деталей машин.

И з м е р е н и е т е м п е р а т у р ы п и р о м е т р а м и

Как известно, общим недостатком неэлектрических методов из­ мерения температуры является разрыв во времени между экспери­ ментом и получением результатов. После лабораторной обработки образца, подвергшегося испытанию, можно получить ответ только о той максимальной температуре, которая достигалась при устано­ вившемся режиме испытания.

Между тем во многих случаях необходима регистрация темпе­ ратуры поверхности раската и деталей при работе в любом режиме

металлов давлением иногда применяют радиационные и фотоэлект­ рические пирометры.

Радиационные пирометры для измерения температуры поверх­ ности движущегося металла и деталей имеют много конструктив­ ных модификаций [118], которые могут быть пояснены одной обоб­ щенной принципиальной схемой (рис. 5.3). Корпус индикатора 1 с трубкой 2 крепится к кожуху 4 испытуемого агрегата; излучение с поверхности вращающегося объекта измерения 5, проходя через диафрагму 3, попадает на термочувствительный индикатор 6 и на­ гревает его. Генераторный или параметрический эффект индикато­ ра связан с его температурой, а следовательно, и с температурой

ность показаний и прочие характеристики таких приборов опреде­ ляются их частными конструктивными особенностями. При разра­ ботке специальных пирометров для измерений температуры вра­ щающихся деталей машин или при переделках для этих целей имеющихся в наличии радиационных пирометров общего назначе­ ния основное внимание уделяют таким вопросам, как увеличение

384

чувствительности в зоне малых температур, повышение точности измерений и уменьшение инерционности показаний.

Для повышения точности работы радиационных пирометров в условиях их длительного соприкосновения с кожухом испытуемой машины, когда колебания температуры кожуха в различных режи­ мах передаются пирометру, представляет интерес применение схе­ мы автоматического введения поправки на температуру корпуса термоиндикатора. В качестве примера приведем радиационный пи­ рометр с фильтром, реагирующий на интенсивность узкой полосы спектра излучения в пределах дли­ ны волн от 500 до 1000 мкм.

му возникающие в них термо- э. д. с.

вычитаются. Такая двухкаскадная система фильтров и термоинди­ каторов дает селективность в пределах длины волн теплового излу­

корпуса. В частности, термобатарея 5, генерирующая э. д. с. «отри­

мосопротивление, как известно, имеет отрицательный температур­ ный коэффициент сопротивления (2—6% на 1°С). Термистор заделан в раму, на которой монтируются ячейки с термобатареями. При изменении температуры корпуса, а следовательно, и рамы по

185

•отношению к градуировочным условиям термистор меняет свое сопротивление, изменяя тем самым общее сопротивление цепи галь­ ванометра. При увеличении температуры корпуса и, следовательно, уменьшении э. д. с. пирометра сопротивление термистора снижает­ ся; тем самым компенсируются положительные и отрицательные приросты э. д. с.

Пирометр описанного типа имеет пределы измерений 50—400° С и 200—900° С; благодаря автоматической поправке на температуру корпуса его относительная погрешность доведена до ± 0 , 5 % от верхнего предела шкалы.

Указанный принцип можно использовать для переоборудования промышленных пирометров применительно к измерениям темпера­ туры металла и деталей машин. Однако в качестве компенсирую­

применяют батареи из последовательно включенных термопар, ко­ торые при повышении температуры корпуса относительно градуировочных условий несколько увеличивают термо-э. д. с , а при по­ нижении — уменьшают.

Компенсационные термосопротивления монтируют в корпус пи­ рометра и последовательно включают в общую цепь термобатареи

игальванометра. Сопротивление компенсирующего термоэлемента

иего термоэлектрические характеристики подбирают с учетом па­

раметров измерительной цепи таким образом, чтобы увеличение или уменьшение э. д. с. термобатареи, вызванное перегревом или охлаждением корпуса пирометра, компенсировалось изменением общего сопротивления цепи.

В фотоэлектрических пирометрах для измерения температуры поверхности нагретых тел термочувствительный индикатор выпол­ няют из фотоэлементов или фотосопротивлений, реагирующих на инфракрасную часть спектра.

Один из пирометров такого типа, предназначенный для изме­ рения температуры перемещающихся металла или деталей машин [114], выполнен в виде приставной миниатюрной индикаторной трубки, включающей в себя окуляр с фильтром и оловянно-суль- фидное (полупроводниковое) фотосопротивление. Индикаторную трубку приставляют к отверстию в кожухе испытуемой машины и соединяют гибким кабелем с переносным прибором, состоящим из электроннолучевой трубки с круглым экраном, усилителя и син­ хронизатора для получения при измерении стробоскопического эф­ фекта. Колебания сопротивления термочувствительного индикатора в виде изменяющегося напряжения через усилитель подаются на вертикальные отклоняющие пластины осциллографической трубки.

Незначительная инерционность индикатора позволяет фиксиро­ вать явления за 0,1 • Ю - 3 сек. На горизонтальные пластины трубки подаются импульсы развертки синхронно с каждым оборотом; син­ хронизация осуществляется фотоэлементом, следящим за враще-

186

синхронизирующую схему. Определяемая температура читается на экране осциллографа по амплитуде луча на вертикальной оси; в то же время горизонтальная ось дает развертку значений темпера­ тур по окружности вращающейся детали.

Синхронизирующее устройство может работать и по принципу стробоскопа, подключая индикатор температуры к измерительной схеме лишь в моменты прохождения перед индикатором одного и того же места вращающейся детали. Тогда на экране осциллогра­ фа будут фиксироваться импульсы с амплитудой, пропорциональ­ ной температуре какой-либо площадки на исследуемой детали.

Рассмотренный пирометр характеризуется следующими техни­

Другой пирометр, известный в практике измерений температуры движущихся объектов [114], имеет термочувствительный индикатор из кислородно-цезиево-сернистого фотоэлемента с фильтром. Фототок термоэлемента подается на вход усилителя постоянного тока и после усиления измеряется стрелочным измерительным прибором со шкалой, градуированной непосредственно в градусах Цельсия.

При измерении температуры пирометрами, использующими лу­ чистую энергию нагретого тела, возникают погрешности от неполно­ ты излучения реальных физических тел, от влияния среды и от поглощающей способности элементов оптической системы. Для по­ вышения точности измерений эти погрешности учитывают в соот­ ветствии с методикой, описанной в работах [114, 118].

И з м е р е н и е т е м п е р а т у р ы т е р м о п а р а м и

Как известно, термопары состоят из двух разнородных провод­ ников, сваренных или спаянных между собой на одном конце (ра­ бочем спае). Свободные концы термопар присоединяют к измери­ тельному прибору. При необходимости термопара может наращи­ ваться термоэлектродными (компенсационными) проводами. В практике измерения температуры металла и деталей машин при­ меняют термопары различных типов. Их основные характеристики представлены в табл. 5.2.

Применение термопар основано на том, что при помещении ра­ бочего спая в среду с температурой, отличающейся от температу­ ры свободных концов, возникает термоэлектродвижущая сила (термо-э. д. с ) . Величина термо-э. д. с. зависит от рода контакти­ рующих пар металлов и от разности температур рабочего спая и свободных концов термопары. Следовательно, измеряя тер­ мо-э. д. с , можно определять разность температур и находить тем­ пературу рабочего спая.

187

Т а б л и ц а 5.2

Характеристика термопар

Опыт показывает, что наиболее надежным способом соединения электродов термопары является сварка, которую производят в пла­ мени газовой горелки или в электрической дуге между угольными электродами. Иногда используют пайку; припоями служат металлы или сплавы с температурой плавления меньшей, чем температура плавления материалов термоэлектродов. В последнее время начали соединять термоэлектроды прессованием под давлением. Местам соединения термоэлектродов (спаям) придают различные геометри­ ческие формы (шариков, миниатюрных цилиндров, игл, пластинок и т. д.). Размеры термопар могут быть как угодно малы.

Термопары к деталям или деформируемому металлу можно кре­ пить по-разному (в зависимости от формы и размера детали, ско­ рости вращения, доступности участков измерения и др.). В боль­ шинстве случаев рабочие спаи приваривают или припаивают к ис­ следуемым полосе или детали. В других случаях термопару приваривают к диску определенной толщины, запрессованному в исследуемые металл или деталь. При небольших скоростях пере­ мещения детали термопару можно укреплять в специально высвер­ ленных отверстиях путем заклинивания или примазывания термо­ стойкими вяжущими массами.

На рис. 5.5 приведен распространенный способ крепления тер­ мопары в плоских деталях. В испытуемой детали 1 высверливают отверстие, в которое вкладывают два изолированных электрода. Обычно электроды 2 и 3 предварительно свивают (положение / ) и в таком виде вставляют в отверстие до уровня поверхности де­ тали (положение / / ) . После приварки поверхность зачищают, элек­ троды с противоположной стороны загибают, прижимая их к по­ верхности детали и отводя к месту расположения контактных колец (положение / / / ) . Д л я защиты электродов и крепления на детали их прижимают стальной полоской 4, которую приваривают к иссле­ дуемой детали.

В деталях металлургического оборудования тепловые процессы в большинстве случаев носят динамический характер, поэтому пе­ ред применением термопары целесообразно провести ее расчет на тепловую инерционность. Для вращающейся совместно с деталью

188

термопары расчет на тепловую инерционность аналогичен такому расчету для обычных стационарных термочувствительных элемен­ тов, рассмотренному в специальной литературе [114, 119, 120], по­ этому здесь мы по аналогии с расчетом, приведенным в работе Г. П. Зедгинидзе [114] применительно к термосопротивлениям, при­ ведем основные сведения применительно к термопарам (без дета­ лей, усложняющих расчет).

Рис. 5.5. Крепление термопары на плоской детали при­ вариванием

Для проверки термопары на инерционность достаточно упрос­ тить расчет до случая пульсации температуры по синусоидальному закону относительно некоторого среднего значения. Амплитуда и частота пульсации могут быть приняты предположительно, исходя из данного конкретного случая. Естественно, что для расчета пред­ ставляет интерес лишь переменная составляющая пульсирующей температуры, т. е.

ожидаемое отклонение пульсирующей температуры от некоторого среднего значения; со — предполагаемая угловая частота идеализи­ рованного гармонического колебания температуры; t — текущее значение времени.

Если для дальнейшего упрощения пренебречь теплом, которое выделяется рабочим током в термопаре, и принять, что теплообмен между средой (исследуемая деталь) и термопарой происходит главным образом контактной теплопередачей, т. е. теплопроводно­ стью, то решение дифференциального уравнения теплового балан­

189