книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

ные при охлаждении на воздухе. Более полная имитация дей­ ствия окружающей среды связана также с приложением как те­ плового удара, так и удара от внезапного охлаждения. Влияние растягивающих и сжимающих пластических деформаций при

Рис. 7.16. Сопротивление тепловому удару кованых (а) и литых (б) сплавов и нержавеющих сталей (в) (разброс и средние значения величин указаны для каждого сплава, испытанного при температурных циклах 20—982° С) [7.24]

тепловом ударе, связанном с нагревом и охлаждением, различно. Следует ожидать, что тепловые удары, связанные с нагревом и охлаждением, будут приводить к различным долговечностям. Поэтому необходимо исследовать поведение материала в обоих случаях и использовать как нагрев в газовой среде, так и воз­ душное охлаждение, если результаты должны быть получены с учетом имитации эксплуатационных условий.

Исследования, при которых испытываемый образец подобен образцу, применяемому для изучения в воде, но в условиях, когда термоудар осуществлялся при нагреве, а в качестве охла­ дителя использовали воздух, описаны Мускателлем с сотрудни­ ками [7.24]. Максимальная температура нагрева 982° С (нагрев с помощью горелки Селаса). Для охлаждения применяли сжатый воздух при температуре около 26° С. На рис. 7.16 показана форма образца и результаты испытаний литых и кованых материалов. Разрушение определялось появлением трещины на всю ширину края, равную 0,793 мм. Для нержавеющих сталей одинакового состава сравнивали методы изготовления, связанные с исполь­ зованием ковки и литья, а для кованой стали — различные микро­ структуры, характеризуемые разными размерами зерен.

По данным испытаний могут быть сделаны следующие выводы: 1. Сплавы на кобальтовой основе по долговечности лучше

сплавов на основе никеля и железа.

2.Кованые сплавы оказались лучше литых, видимо, вслед­ ствие малых размеров зерен кованого сплава.

3.Для кованых нержавеющих сталей сопротивление тепло­ вому удару оказалось более высоким у сталей с наименьшим раз­

мером зерна. При добавлении бора в литые сплавы Х-40, 5-816

иН5-21 снижается их долговечность при тепловом ударе. Испытания с использованием холодного воздуха для охлажде­

ния цилиндра с острыми краями описаны Хантером [7.15]. В этом случае удар осуществлялся внезапным охлаждением. Образец нагревали электрическим током до максимальных темпе­ ратур 871—1093° С и затем внезапно обдувался сжатым возду­ хом. В эксперименте не получено никакой информации по распре­ делению температур в период действия максимальной температуры или теплового удара. Поэтому результаты следует рассматривать как имеющие только качественное значение, так как сравниваются специальные материалы при специальных условиях проведения испытаний. Разрушением считалось достижение трещины по ве­ дущему острому краю образца длиной 0,762—1,016 мм. Полные результаты этих испытаний, по которым можно сделать выводы, представлены в табл. 7.2.

1. Наилучшую характеристику, особенно при высокой темпера­ туре, имеет сплав бателлаллой следующего состава: 70% Сг, 30% Ре, 9% Мо, 2—4% Т1 и 0,5% А1.

2. Лучшую характеристику имеет литой сплав $-816 по срав­ нению с кованым сплавом 3-816 (в противоположность данным Мускателла и др.). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы решить, является ли это противоречие следствием специфики применяемых материалов, экспериментальной техники или ре­ зультатом различия условий испытания. Существенным отличием условий испытаний является то, что в предыдущем исследовании был использован быстрый нагрев, а в данном — быстрое охла­ ждение.

3.Относительно хорошее сопротивление тепловому удару имеет материал Н5-21. Этот вывод совпадает с результатами Мускателла (рис. 7.16) и с общепризнанной характеристикой этого сплава как хорошего материала для лопаток соплового аппарата газовых турбин.

4.Сплавы на кобальтовой основе лучше никелевых (вывод неокончательный) [7.24].

5.Возможное влияние разброса данных видно на примере инконеля, который был наихудшим среди всех сплавов, испы­ танных при 871, 926, 1036 и 1093° С, но лучшим (кроме бателлаллоя) — при 982° С.

6.В ряде случаев относительная оценка материалов, испытанных при различных температурах, может меняться. Однако неизвестно, происходит ли это в связи с разбросом дан­

ных, изменением микроструктуры при увеличении температуры

Особенностью метода является использование слоя очень тонких твердых частиц, через который проходит газообразное вещество, обычно воздух. Когда скорость газа через слой превышает кри­ тическое значение, твердые частицы теряют контакт друг с дру­ гом и перемещаются в потоке газа. При скоростях газа, выше необ­ ходимых для достижения «взвешенного» состояния частиц и ниже требуемых для их уноса, частицы остаются в испытательной камере во «флюидизированном» состоянии. Если горячий образец поме­ щают в холодный флюидизированный слой, тепло передается от горячего образца к флюидизированной среде через перемещаю­ щиеся частицы. Преимущество использования флюидизированного слоя вместо обычного газового охлаждения заключается в том, что этот метод обеспечивает более однородный коэффициент тепло­ отдачи на всей поверхности образца и более точный контроль коэффициента теплоотдачи в широком диапазоне скоростей газа, проходящего через слой.

Таким образом, условия испытаний известны более точно, и результаты в большей степени поддаются анализу. В этом слу­ чае могут быть использованы многие газы, хотя чаще всего охла­ ждают воздухом. Таким же образом могут быть использованы твердые порошки многих видов, хотя в большинстве описанных экспериментов применен карбид кремния. Флюидизированный слой может также быть использован для теплового удара, если газ в испытательной камере нагревается иммерсионным нагрева­ телем, а образец помещается в нее холодным. Образец может быть попеременно подвергнут тепловому и охлаждающему уда­ рам (это может быть сделано путем переноса его из горячего в хо­ лодный слой или расположения образца между двумя слоями при произвольной температуре).

Некоторые результаты испытаний на тепловой удар с исполь­ зованием флюидизированных слоев показаны на рис. 7.17 [7.11]. Образец представлял собой конусный диск. При испытании с быст­ рым охлаждением образец (с) был нагрет до 920° С в электриче­ ской печи и затем погружен в флюидизированный слой, темпера­ тура которого поддерживалась равной 20° С. Расчеты для нимоника 90 указывают, что максимальная деформация растяжения,

при быстром охлаждении является наименее опасным. Долго­ вечность при быстром нагреве приблизительно в 10 раз ниже, чем при быстром охлаждении при той же разности температур. При быстром нагреве в сочетании с быстрым охлаждением долго­ вечность снижается еще в большей степени.

Из этого исследования могут быть сделаны следующие наиболее важные выводы:

1. При действии температурных напряжений усталостные трещины начинаются на поверхности и за некоторым исключением являются межкристаллитными при возникновении и распростра­ нении. Поэтому полученные характеристики больше соответствуют характеристикам ползучести, чем механической усталости. Этот

в сплавах на основе никеля) значительно влияет на долговечность при действии температурных напряжений. Использование инерт-

ной атмосферы (аргон), а не воздуха в качестве флюидизирующего газа приводит к значительно большей долговечности. Это в ка­ кой-то мере может объяснить вывод 1.

3. Максимальная температура цикла — наиболее важный фактор, определяющий долговечность. Для данной разности тем­ ператур между образцом и флюидизированным слоем цикличе­ ская долговечность значительно снижается с увеличением макси­ мальной температуры. Этот вывод соответствует результатам других авторов.

7.3.3. Листовые образцы. Многие детали газовых турбин, особенно камеры сгорания, выполнены из тонколистовой стали. Высокие температурные градиенты, развиваемые при нормальной работе во время горячих запусков и быстрых остановов, были причиной возникновения одной из наиболее серьезных проблем, связанных с этим типом двигателей — замены деталей. Для оценки различных материалов в связи с применением их в кон­ струкциях указанного типа было проведено много испытаний.

Работа Хайтхорна [7.14] явилась одним из ранних исследо­ ваний в этой области. В этих испытаниях трубы диаметром 50,8 и длиной 127 мм подвергали газопламенному удару на расстоя­ нии 38,1 мм от края. Результаты измерения температуры пред­ ставлены на рис. 7.18; распределение температуры по длине трубы показано для различных материалов. Жаропрочные материалы с плохой теплопроводностью имеют максимальную температуру 1092° С и минимальную 288° С на дальнем крае трубы. Макси­ мальная температура такого хорошего проводника, как медь, 832° С, а минимальная 594° С. Медь не имеет такой прочности

икоррозионной стойкости, которая необходима для применения

вэксплуатационных условиях. Характеристики, сочетающие свойства высокопрочных материалов и хороших проводников, достигаются у плакированных материалов.

На рис. 7.18 для каждого материала указано число циклов температурных напряжений, необходимое для появления видимой трещины. Точкой обозначена средняя долговечность образца. Очевидно долговечность труб из инконеля или меди в чистом виде очень низка. Вместе с тем у меди, плакированной инконелем долговечность значительная. Этот материал имеет слоистое строе­

ние: основа — медь, наружные поверхности —- инконель. На­ ружные слои оказывают сопротивление коррозии и обеспечивают прочность, основной материал выравнивает температуру и сни­ жает температурные напряжения.

Еще одно исследование листовых образцов выполнено Ларджем [7.18]. Образец представлял собой квадрат со стороной 101,6 мм с центральным отверстием диаметром 14,85 мм, изго­ товленный из полностью отожженного рекристаллизованного листового материала. Образцы испытывали попарно, температуру измеряли термопарой, приваренной к краю отверстия. Нагрев осуществлялся с помощью горелки с газовоздушной смесью,

охлаждение — подачей сжатого воздуха. Образцы попеременно помещали в поток горячего газа и сжатого воздуха до момента появления трещины на краю центрального отверстия, наблюдае­ мой в микроскоп с небольшим увеличением.

В этих испытаниях обнаружены следующие важные факты:

ный никель; 4 — инконель [7.14]

соотношение: чем меньше толщина, тем * выше долговечность. Этот геометрический фактор рассмотрен в гл. 8 в связи с конфигу­ рацией элементов конструкций.

2. -Влияние слоистой конструкции, как отмечалось при опи­ сании работы Хайтхорна (7.14]. Испытания проводили на слоистом нимонике 75, плакированном медью, состоящем из листов равной толщины при общей толщине 1,22 мм. Средняя долговечность равнялось 3000 циклов. При тех же условиях испытаний средняя долговечность листа из нимоника 75 толщиной 1,22 мм составляла около 200 циклов.

3. Изменение типа разрушения от внутрикристаллитного при более низкой температуре (например, 498° С для нимоника' 75) ДО межкристаллитного при более высокой температуре (например, свыше 700° С Для нимоника 75).

7.3.4. Образцы типа плоского: диска. Плоские диски исполь­ зованы, например,, для. того ..чтобы имитировать распределение:

напряжений в роторе турбины, где появляются температурные напряжения вследствие ограничения расширения горячего обода холодным центральным массивом. В условиях нагрева распре­ деление напряжений колеблется от сжатия на участках, близких к ободу, до растяжения на участках, близких к центру. Простая геометрическая форма таких образцов позволяет относительно несложно вычислить распределение напряжений как в упругой, так и в упругопластической области и, таким образом, проана­ лизировать данные на более фундаментальной основе. Кроме этого, образцу можно придать геометрическую форму, имитирую­ щую концентрацию напряжений. Например, надрезы в ободе таких дисков могут быть использованы для создания концентрации напря­ жений от пазов, обычно используемых для закрепления лопаток.

Р. Смит и Г. Смит описывают исследование температурных напряжений в плоских дисках диаметром около 89 мм и толщиной

и дискаллой, произведенной рядом изготовителей авиационных газовых турбин. Все эти материалы — нержавеющие сплавы, но тимкеи — сплав 16-25-6, упрочняется термомеханической обра­ боткой, требующей мощной оснастки, в то время как остальные материалы могут быть упрочнены более равномерно и более просто — термообработкой. Поэтому возник вопрос, удовлетво­ ряют ли заменяющие материалы условиям термической усталости, которая является превалирующим механизмом разрушения в ободах таких дисков? Так как крепление лопаток с помощью елоч­ ных замков связано с возникновением концентрации напряжений в ободе диска, на усталость испытывали образцы с надрезами и без надрезов.

Испытание на усталость при действии температурных напря­ жений проведены при быстром нагреве обода до определенной температуры, вызывающем радиальный перепад температуры и обеспечивающем требуемую деформацию в ободе, и при после­ дующем охлаждении до постоянной по радиусу температуры. Для определения номинальной деформации на ободе в гладких образ­ цах использован обычный упругопластический расчет, и весь анализ экспериментальных данных как для гладких, так и для надрезанных образцов сделан на основе расчетной номинальной, деформации в гладких образцах.

В этом исследовании представляли особый интерес следующие моменты:

1) сравнение действительной циклической долговечности и

2)сравнение циклической долговечности* гладких и надрезан­ ных образцов;

3)относительное расположение четырех материалов по кри­ терию появления трещины;