книги из ГПНТБ / Свойства титановых сплавов в сложных условиях применения сборник статей

10

Газонасыщение, проведенное по режимам, указанным в табл .1, существенно повышает жаропрочность рассматриваемых титановых

сыщения взяты или равными, или большими при испытании газона­ сыщенных образцов. Газонасыщенные образцы обнаруживают при ис­ пытании значительно меньшую скорость ползучести, чем образцы без газонасыщенного слоя.

Зависимости времени до разрушения и скорости ползучести от приложенногр напряжения для всех исследованных сплавов пред­ ставлены на рис.З и 4, соответственно. Анализ этих зависимостей позволяет видеть, что наибольшей жаропрочностью при кратковре­ менных испытаниях обладают сплавы BT5-I и АТ8.

Эти сплавы при значительных напряжениях (8-12 кгс/мм2) имеют меньшую скорость ползучести и большее время до разрушения по сравнению с другими сплавами. Многие из этих сплавов имеют на­ столько невысокую жаропрочность, что при указанных напряжениях они в нашей работе даже и не испытывались. Для них скорость ползучести и время до разрушения, соответствующие значениям этих характеристик у сплавов BT5-I и АТ8 при напряжениях

8-12 кгс/мм2, получаются при значительно меньших напряжениях. Интересным является поведение сплава АТ4, имеющего малую

скорость ползучести в широком диапазоне напряжения. Время до

Двухфазные термически упрочняемые сплавы BTI4 и BTI6, являю­ щиеся высокопрочными при обычной температуре, оказываются мало­ прочными при высоких температурах испытания. Это заключение полностью соответствует результатам работы других авторов Указанные сплавы имеют очень низкое время до разрушения и вы­ сокую скорость ползучести, величина которой к тому же весьма непостоянна и дает значительный разброс, особенно при повышен­ ных температурах.

В ы в о д ы : I . В качестве критериев для оценки кратковре­ менной жаропрочности титановых сплавов приняты время до разру­ шения и скорость ползучести.

2 . Установлено, что кривые ползучести исследованных титано-

£

вых сплавов по виду идентичны соответствующих кривых, получа­ емых при длительных испытаниях.

' 3 . Наиболее жаропрочными в условиях кратковременных испы­ таний при 800-900° являются сплавы BT5-I и АТ8, легированные алюминием и имеющие структуру твердого раствора оС .

4 . Отмечено, что титановый сплав АТ4 имеет низкую скорость ползучести, практически мало меняющуюся при напряжениях от 5 до 10 кгс/ми2 .

5 . Подтверждено, что двухфазные термические упрочняемые сплавы BTI4 и BTI6 имеют низкую жаропрочность при выскоих тем­ пературах испытания.

игафния на свойства при растяжении и ползучесть сплавов ти­

13

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОЧНХТЬ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЕ

Приближение условий испытания к сложным условиям эксплуата­ ции имеет очень большое значение, так как позволяет получить более объективные данные о свойствах материалов. Одним из путей такого приближения является испытание материалов на механиче­ скую прочность при действии агрессивных сред.

Существующие методы этих испытаний предусматривают включе­ ние в обычную схему установки дополнительного звена - коррозион­ ной ячейки, обеспечивающей нахождение материала в процессе ис­ пытаний в той или иной агрессивной среде. Однако такая методи­ ка не дает достаточного приближения условий испытания к той об­ становке, в которой находится материал в процессе его эксплу­ атации. В реальных условиях агрессивная жидкость часто является не только средой, в которой находится материал; в некоторых кон­

ной среде в условиях, максимально приближенных к реальным. С этой целью были созданы специальная методика и установка, поз­ воляющие проводить испытания материала на механическую прочность,

14

Испытательная установка, схема которой приведена на рис.1, представляет собой гидравлический стенд, состоящий из узлов на­ гружения I и 3, системы измерения и управления и узла испытаний. Установка имеет также гидроразделители 7, осуществляющие разде­ ление рабочих жидкостей узлов нагружения и испытаний и обеспе­ чивающие возможность нагружения испытуемого образца при помощи агрессивной жидкости.

15

Испытания проводятся с помощью камеры 8, к фланцу которой с помощью прижимного кольца и болтов прикрепляются испытуемые мембраны. Основным показателем поведения материала в процессе

испытания является прогиб мембран, измеряемый с помощью индика­

торов 12.

Кроме статических или повторно прикладываемых напряжений,

термочехла I I .

На описываемой установке возможно проведение испытаний не только образцов, но и целых агрегатов, баллонов и т .д . Для защиты экспериментатора от агрессивной жидкости или обломков материала в случав разрушения мемораны, агрегата, баллона или других объектов узел испытаний может быть размещен в предохра­ нительной камере 14.

В настоящей работе было выполнено исследование мембран, вырезанных из листов толщиной I мм, имеющих диаметр 80 мы и прикрепляемых к фланцу камеры кольцом с внутренним диаметром 80 мм. Таким образом, мембрана представляет собой в процессе

испытаний образец, жестко защемленный по внешнему контуру. При­ ложенная к ней нагрузка является равномерно распределенной и характеризуется давлением агрессивной жидкости.

Расчет напряжений и деформаций в мембранах проводился по теории тонких пластин j^ IJ , что вполне допустимо, поскольку мембрана довольно тонка (I мм), а наименьший радиус ее доста­ точно велик (40 мм). В случае малых прогибов, не превышающих 1/4 толщины мембраны, можно пользоваться элементарной теорией и считать, что срединная поверхность мембраны не испытывает ни растяжения ни сжатия. При этом максимальные напряжения будут

16

Б центре мембраны значения радиальных и тангенциальных на­ пряжений одинаковы и определяются по формуле

а . , б , = Л - и . ± Д 1 .

Изменение радиальных и тангенциальных напряжений в направ­ лении радиуса мембраны представлено на рис.2 .

Рис.2. Изменение напряжений по радиусу мембраны

учитывать напряжения мембранного типа. Эти напряжения подсчи­ тываются по максимальному прогибу мембраны и коэффициентам, определяемым граничными условиями.

Полные напряжения, действующие в мембране, определяются как сумма нормальных напряжений изгиба и мембранных напряжений Величины их в зависимости от давления для мембраны толщиной

I ми и радиусом 40 мм представлены на рис.З.

Исследования влияния агрессивной среды на механические свойства мембраны при напряжениях, превышающих предел упруго­ сти, проводились нами при допущении, что мембрана имеет форму части сферы, радиус которой при увеличении давления уменьша­ ется. При этом расчет напряжений выполняется по формуле:

где 3 - относительное удлинение; Еп~ переменный модуль жесткости.

17

Рис.З. Зависимость напряжений от давления

Для проведения расчета необходимо знать зависимость про­ гиба в центре мембраны от действующего давления, полученную опытным путем (рисЛ ), а также истинную диаграмму растяжения исследуемого материала (рис.5 ) ,

18

Во значению давления с помощью графика (рис.4) определяет­ ся величина прогиба fmax в центре пластины. По прогибу рас­ считывается относительная деформация:

^U~%а

где tf - длина дуги сегмента с основанием 2а ; она определя­ ется по формуле

Далее по относительной деформации с помощью истинной диа­ граммы растяжения (ри с.5) определяется значение переменного" мо­ дуля .жесткости Еп . Результаты расчетов напряжений в мембране диаметром 80 мм* изготовленной из листа толщиной I мм сплава 0T4-I, представлены на рис.6. По приведенным здесь графикам определяются напряжения в мембране, соответствующие рабочим давлениям, применяемым при испытании: 8, 25 и 60 кгс/см^.

Рис .6 . Изменение напряжений в мембране в зависимости от дав­ ления

Испытания мембран проводились в растворе серной кислоты удельного веса 1,67 г/см 3 (75%) в течение 200 час при указанных выше давлениях. Объем кислоты при испытании составляет 350 мл. Предварительными опытами было установлено, что схорость

коррозии мембраны, изготовленной из исследуемого сплава, при испытании в 75%-ной серной кислоте указанного объема в течение

19

100 час оказывается постоянной. При этой выдержка мембран на воздухе на скорость коррозии не влияет. Исходя из этого, при испытании сплава в состоянии поставки смена агрессивной среды проводилась только один раз, а при испытании материала с изме­ ненным слоем совсем не проводилась, поскольку содержание тита­ на в растворе после опытов и потеря веса мембран в обоих слу­ чаях весьма незначительны.

Испытанию подвергались мембраны в исходном состоянии и в состоянии после отжига в атмосфере воздуха при 650° в течение 1,5 и 5 час. Последние имеют газонасыщенный слой глубиной 0,01 и 0,02 мм соответственно.

Перед испытаниями мембраны обезжиривались, зачищались стек­ лянным порошком и снова обрабатывались растворителем. С целью проверки качества и однородности поверхности после такой обра­ ботки мембраны погружались в кислоту. Равномерное по всей по­ верхности выделение пузырьков газа через 30-40 сек с момента погружения было принято в качестве критерия правильной подго­ товки поверхности.

Электродный потенциал незачиценных образцов без слоя и со слоем толщиной 0,02мм после 10-иинутной выдержки в 75^-ной сер­

помощью нейтральной среды - масла. При этом в процессе 600-ча­ совых испытаний изменения прогиба замечено не было. Таким обра­

рез специальный клапан узла нагружения вследствие увеличения

-2 раза за весь период испытания.

Врезультате проведенных испытаний были получены зависимо­ сти величины максимального прогиба мембраны в исходном состоя-