книги / Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом нагружении в условиях низких и высоких температур

чен распределительный гелиевый клапан 25, выполненный с воз­ можностью подключения рабочей полости криостата и дьюара к газгольдеру 27 через трубопровод 26 или рабочей полости к дьюару. Клапан (рис. 15) представляет собой тройник с подвижным золот­ ником 1, который имеет два Г-образных сквозных канала 2 и 5 и один прямой канал 6. На рисунке показано положение золотника при подготовке к дозаливке. В этом положении жидкий гелий из рабочей полости криостата через гелиевую переливалку, патрубок 4 и Г-образный канал 2 поступает в газгольдер, охлаждая при этом рабочую переливалку, введенную в криостат. В то же время жидкий гелий из дьюара через переливалку, патрубок 3 и Г-образный ка­ нал 5 также поступает в газгольдер. Через 2—3 мин внутренние трубки переливалок, изолированные от внешней среды вакуумными экранами и имеющие весьма малую толщину стенок, охлаждаются до температуры жидкого гелия (—269° С). После этого золотник 1 переводится в нижнее положение, прямой канал 6 соединяет патруб­ ки 4 и 3 — гелий из дьюара начнет поступать в рабочую полость криостата. При этом вентиль 11 (см. рис. 14), который закрывается при подготовке к заливке, должен быть открытым.

Ход заливки контролируется двумя полупроводниковыми уров­ немерами 1 и 4, температура образца определяется с помощью полу­ проводникового германиевого термометра 21 (см. рис. 14), помещен­ ного во фторопластовую капсулу и плотно прилегающего к рабочей части образца. Термометр комплектуется с прибором «Крион 12», разработанным в Институте полупроводников АН УССР [45, 46]. Прибор предназначен для измерения весьма низких температур с непосредственным отсчетом в градусах в интервале 1,4—300° К.

Гелиевые уровнемеры сигнализируют о наличии жидкого гелия на дне рабочей полости криостата и над образцом. После того как уровень жидкого гелия в рабочей полости криостата достигнет верх­ него уровнемера, заливка прекращается. Все дозаливки хладоагента производятся без остановки испытаний образца, температура которого в процессе подготовки к заливке и во время заливки прак­ тически не изменяется (колебания температуры составляют 1—2°). Одной заливкой жидкого гелия обеспечивается проведение испыта­ ний в течение 1—1,5 ч, затем проводится очередная заливка. Мо­ мент дозаливки при длительных испытаниях определяется по пока­ заниям нижнего уровнемера, который крепится на 15 мм выше ниж­ него торца рабочей гелиевой переливалки.

При испытаниях в жидком азоте дозаливка криостата осущест­ вляется не более двух раз в сутки, а уровень хладоагента в рабочей камере измеряется с помощью пенопластового поплавка (на рис. 14 не показан), связанного с указателями уровня, находящимися вне испытательной камеры.

В процессе испытаний образцов при криогенных температурах производится также запись кривых циклической ползучести и диа­ грамм деформирования. Машина УМЭ-10Т снабжена двухкоорди­ натным диаграммным аппаратом, который позволяет в большом мас­

штабе записывать диаграммы циклического деформирования в ко­ ординатах усилие — деформация. Запись кривых циклической пол­ зучести производится на приборе КСП-4 с использованием изме­ рительной схемы, приведенной на рис. 7. Элементы узла измере­ ния деформации и усилия в описываемой установке вынесены из зоны низких температур так, как это показано на рис. 12. Динамо­ метр 9, на который клеятся проволочные тензодатчики Д5 с базой 20 мм и сопротивлением 200 ом, предназначен для измерения уси­ лия. Деформация образца измеряется с помощью упругих экстензометров 7, выполненных в виде балочек прямоугольного сечения большой податливости. Одним концом балочки жестко крепятся к зажиму <5, который установлен на неподвижном штоке, а вторым концом контактируют с шарнирными упорами 5, жестко связанными с подвижным захватом образца. При деформировании образца и перемещении его подвижного захвата относительно неподвижного упоры 6 перемещаются относительно зажима 8 и прогибают балоч­ ки 7. Сигнал разбаланса пары датчиков Д1 и Д2 подается после соот­ ветствующего усиления на диаграммный барабан пульта управле­ ния машины для записи диаграмм деформирования, а сигнал раз­ баланса второй пары датчиков ДЗ и Д4 — на прибор КСП-4 для записи кривых циклической ползучести. В процессе испытаний мож­ но также параллельно вести визуальный отсчет деформации образца по показаниям стрелочных индикаторов 11.

При оптимальных режимах работы установок точность опреде­ ления усилия, действующего в образце, не превышает 1 % от изме­ ряемой величины, а точность измерения деформации образца со­ ставляет примерно 1 10” 4 мм/мм.

§ 2. Исследование малоцикловой усталости тугоплавких металлов в вакууме

Целый ряд деталей современных энергетических установок характе­ ризуется весьма сложным видом силового и теплового нагружения и высоким уровнем рабочих температур.

Температурный потолок использования в качестве конструк­ ционных материалов известных жаропрочных сплавов на основе железа, никеля и кобальта не превышает 1000° С, поэтому при более высоких температурах необходимо применять сплавы на основе тугоплавких металлов — вольфрама, молибдена, тантала и ниобия (температура плавления соответственно 3380, 2610, 2996, 2468° С [97]). Эти металлы обладают такими положительными свойствами, как высокая температура плавления, высокая пластичность и удо­ влетворительная прочность при высоких температурах. Однако возможность их использования в ряде случаев ограничивается низ­ кой стойкостью к окислению и повышенной хрупкостью при комнат­ ных и низких температурах (особенно у молибдена и вольфрама). Так, температура перехода от хрупкого состояния к пластичному у тантала составляет —253° С, у ниобия------ 202° С, у молибдена —

от —46 до 41° С, у вольфрама — от 77 до 351° С [97]. Ниобий, тан­ тал и их сплавы, имеющие очень низкую температуру перехода, при комнатных условиях всегда находятся в пластичном состоянии. Молибден и его сплавы могут быть пластичными при комнатной тем­ пературе в деформированном состоянии (при рекристаллизации тугоплавких металлов температура перехода значительно повыша­ ется), а вольфрам и его сплавы при комнатной температуре всегда находятся в хрупком состоянии.

Значительные трудности при использовании и испытании туго­ плавких металлов связаны с их низкой стойкостью к окислению при повышенных и высоких температурах (550° С и выше) [123].

При температуре свыше 550° С окислы или испаряются (легко­ плавкая трехокись молибдена) или растрескиваются и отслаиваются от неповрежденного металла, как у ниобия, что интенсифицирует окислительный процесс.

Чтобы обеспечить защиту тугоплавких сплавов от взаимодей­ ствия с окислительными и другими агрессивными средами, необхо­ димо проводить их испытания в вакууме или в среде очень чистых нейтральных газов. Высокие требования к чистоте испытательной среды объясняются тем, что даже незначительное количество приме­ сей вызывает чувствительное изменение прочности и пластичности тугоплавких металлов. Чистоте среды особенно большое внимание нужно уделять при длительных испытаниях на механическую и тер­ мическую усталость и ползучесть.

Испытания молибденового ВМ-1 и ниобиевого ВН-2 сплавов в среде технически чистого гелия (кислорода 0,001%, азота 0,002%) и аргона (кислорода 0,003%, азота 0,019%) показали, что в процессе длительного, превышающего несколько часов, нагружения при вы­ сокой температуре нейтральная среда такой чистоты не обеспечива­ ет защиты от окисления и насыщения поверхностных слоев металла различными примесями. Аналогичная картина наблюдалась для молибдена и тантала [98].

Разрушение образцов, испытанных в гелии, носило явно выра­ женный хрупкий характер, и остаточная деформация не превышала 1 %. При испытаниях в вакууме (3 • 10~5 мм рт. ст.) в таких же усло­ виях нагружения остаточная деформация увеличивалась до 30%.

Таким образом, при длительных испытаниях в среде нейтраль­ ных газов технической чистоты нельзя полностью реализовать по­ тенциальные возможности сплавов в связи с их высокой чувстви­ тельностью к примесям. В таких условиях испытаний можно было бы использовать инертные газы повышенной чистоты, однако такое ре­ шение экономически нецелесообразно. Оптимальный вариант за­ ключается в применении при испытаниях в качестве рабочей среды вакуума, обеспечивающего удовлетворительное сохранение полез­ ных свойств тугоплавких металлов при высоких температурах. Вакуум может быть получен в лабораторных условиях с использо­ ванием недорогостоящего стандартного оборудования. В связи с этим для испытания тугоплавких сплавов при высоких температу-

pax были разработаны методики, основанные на использовании в качестве рабочей среды вакуума порядка 1 10-4 — 1 х

X10-6 мм рт. ст. Полученные при этом характеристики прочности

ипластичности достаточно надежно характеризуют свойства туго­ плавких металлов и сплавов. В одних случаях они могут быть использованы непосредственно при конструировании деталей, рабо­ тающих в вакууме, в других случаях, например при создании дета­ лей из тугоплавких сплавов с защитными покрытиями для исполь­

зования их в окислительных и других средах, подобные характе-

а — изотермическая малоцикловая усталость; б — неизотермическая мало­ цикловая усталость; в — термическая усталость.

ристики являются исходными данными при разработке оптимальных составов и технологий нанесения защитных покрытий.

При разработке методики испытаний тугоплавких сплавов и соз­ дании специального испытательного оборудования встречаются су­ щественные трудности, обусловленные спецификой этих испыта­ ний (высокие температуры, использование защитных сред и др.), которые обусловливают необходимость отказа от многих методиче­ ских решений и приемов, оправдавших себя при испытаниях жаро­ прочных сплавов и конструкционных сталей. Поэтому проведение экспериментальных исследований требует значительных материаль­ ных затрат и должно вестись по обоснованным программам, наиболее близко отражающим реальные условия эксплуатации объектов и изделий из тугоплавких сплавов.

Согласно приведенным в работе [199] данным можно выделить основные группы объектов, в которых использование тугоплавких

сплавов является перспективным. Это наиболее термически напря­ женные узлы обшивки скоростных самолетов, ракет и космических аппаратов; ответственные узлы ракетных двигателей, работающих при высокой температуре (сопла, обоймы камер сгорания и др.); детали турбин сверхзвуковых двигателей летательных аппаратов (рабочие и сопловые лопатки); элементы теплообменников и других узлов атомных реакторов и т. п. Области применения указанных объектов характеризуются высокими рабочими температурами и чрезвычайно сложными режимами теплового и силового нагруже­ ния. На изделия из тугоплавких металлов действуют переменные тепловые и силовые нагрузки, а условия их деформирования и

методик исследования для реа­ лизации наиболее типичных режимов изменения температуры и на­

грузки учитывалось, что интервалы температурных и силовых цик­ лов, частоты нагружения и нагрева, а также длительность испыта­ ний должны быть близкими к величинам, характеризующим ре­ альные условия эксплуатации объектов.

Конструкции вакуумных установок для исследования малоцик­ ловой и термической усталости при высокой температуре. Условия малоциклового нагружения, частным случаем которых являются испытания на термическую усталость, характеризуются низкой час­ тотой приложения нагрузки, деформированием материала за пре­ делом упругости и небольшим числом циклов до разрушения.

Методика исследования сопротивления тугоплавких металлов де­ формированию и разрушению при таком нагружении должна осно­ вываться на использовании экспериментальных средств, позволяю­ щих проводить испытания при знакопеременном низкочастотном циклировании нагрузки в условиях постоянной и переменной тем­

необходимое изменение нагрузки обеспечивалось с помощью узла нагружения, схема которого приведена на рис. 17. К образцу 1 прикладывается предварительная растягивающая нагрузка от рес­ соры 2 при перемещении винтовых опор 3. Знакопеременное усилие

в образце возникает при наложении на постоянную растягивающую нагрузку, определяемую прогибом рессоры, переменного сжимаю­ щего усилия Рм, создаваемого машиной одностороннего действия УММ-10. Изменяя прогиб рессоры и величину амплитуды пере­ менного усилия, создаваемого гидравлической машиной, можно по­ лучить требуемый цикл нагружения.

Усилие в образце при такой схеме нагружения в общем случае зависит не только от величины внешней нагрузки, прикладываемой от рессоры или машины. Его значение изменяется с изменением тем­ пературного уровня испытаний, модуля упругости и коэффициента термического расширения образца и может быть определено по рас­ четной схеме (см. рис. 17) как

где Доп — начальное перемещение подвижных опор при нагруже­ нии образца; бт — тепловая составляющая деформации образца; 6ПЛ— пластическая составляющая деформации образца; п — отно­ шение полной деформации образца к упругой составляющей 6У;

испытаний и рессоры; Fa — площадь поперечного сечения образца; / р — осевой момент инерции рессоры; /0 и /р — соответственно дли­ на образца и рессоры.

При выдержке образца в условиях растяжения нагрузка Ри

и' его величина может поддерживаться постоянной в процессе вы­ держки при пластическом и тепловом деформировании образца толь­ ко в том случае, если предварительное перемещение опор Доп близ­ ко к прогибу рессоры Др и более чем на один порядок превышает полную деформацию образца. Для имитации релаксации напряже­ ний, которая имеет место в реальных конструктивных элементах в условиях высоких температур, необходимо при выдержке обеспе­ чивать уменьшение напряжений до 50% от их максимального зна­ чения и более. Это достигается путем выбора величины предвари­ тельного прогиба рессоры в пределах одного порядка с величиной полной деформации образца. При этом величина усилия Р будет значительно уменьшаться в процессе выдержки при пластическом деформировании образца. Таким образом, принятая схема нагруже­ ния позволяет достаточно близко имитировать реальные условия работы конструкций.

Установка для исследования малоцикловой усталости УТУВ-1 [120, 162, 164], разработанная с использованием описанной схемы нагружения, обеспечивает проведение испытаний при знакоперемен­ ном низкочастотном нагружении образцов с выдержками варьируе­ мой длительности по усилию и температуре на экстремальных уров­

нях; надежную синхронизацию циклов нагрева и нагружения при неизотермических испытаниях; высокие скорости нагрева до 2000° С при неизотермических испытаниях путем прямого пропускания тока

через образец; проведение испытаний в вакууме (от 10“ 4 мм рт. ст. и менее) для предотвращения окисления образцов; непрерывную запись деформации и усилия в образце.

Блок-схема установки УТУВ-1 показана на рис. 18. Установка состоит из испытательной машины УММ-10 1, на которой установ­ лена вакуумная камера с образцом и механизмом предварительного

лось введением в кинематическую цепь упругого элемента — рес­ соры. Вакуумная камера с узлом предварительного нагружения образца (рис. 19) устанавливается на машине вместо ее нижнего захвата с помощью ходового винта 11. Образец 1 крепится в цанго­ вых захватах 5 и 6. Верхний неподвижный захват 5 соединен свар­ кой с крышкой вакуумной камеры 2, а нижний подвижный захват 6 выведен из камеры через вакуумное уплотнение. К подвижному водоохлаждаемому захвату вне камеры жестко крепится траверса измерительных скоб 10> рессора 8 и гибкая токоподводящая шина 9. Водоохлаждаемая крышка камеры 2 крепится болтами к фланцу корпуса камеры 7, а место разъема между крышкой и корпусом уплотняется кольцом из вакуумной резины, величина поджатия которого определяется начальным зазором между фланцами корпу­ са и крышки. Крышка камеры и захваты изолируются от корпуса текстолитовыми прокладками и кольцами, чтобы предотвратить замыкание токонагруженных деталей на массу при нагреве образца

непосредственным пропусканием тока. К верхнему захвату ток под­ водится вне камеры с помощью медной гибкой шины 4, которая кре­ пится медной гайкой 3. Водоохлаждаемый корпус камеры 7 элек-

Рис. 19. Конструкция вакуумной камеры с узлом нагружения образца.

тросваркой соединен с опорной плитой 19, с помощью которой камера устанавливается на колонках 13, жестко соединенных с ходовым винтом 11 через плиту 12.

Предварительный прогиб рессоре задается перемещением вин­ товых опор 17. Рессора выполнена в виде балки равного сопротив­ ления изгибу, на ее концах имеются шаровые опоры 15, восприни­ мающие перемещение винтовых опор. Кронштейны 18 винтовых опор могут совершать вращение относительно колонок 13 при установке рессоры. Прогиб рессоры фиксируется по показаниям индикаторов часового типа 16 с ценой деления 0,01 мм. В плите 19 камеры име­ ются площадки малой жесткости для наклейки тензодатчиков уси­ лия. Деформация образца измеряется экстензометром, конструктив­

но выполненным в виде податливых скоб 14, которые крепятся к траверсе 10 и держателям 20. Траверса жестко соединена с подвиж­ ным захватом образца, а держатели фиксируются болтами относи­ тельно плиты 19, жестко связанной с верхним захватом 5. Это позво­ ляет определять с помощью скоб величину деформации образца при его циклическом нагружении.

При испытаниях использовались трубчатые и сплошные образцы (рис. 20). Конструкция узла крепления трубчатого гладкого образца

ется образец, служит для его центрирования относительно захва­ тов с помощью разрезных цанговых втулок 4.

На рис. 21, в сплошной образец крепится к тяге 7 с помощью разрезной цанговой втулки 4, обоймы 2, сухариков 3, накидной и фиксирующей гаек 5 И б. Цанговые втулки входят в конические от­ верстия тяг при завинчивании накидной гайки 5 и плотно обжимают хвостовик образца. Они служат для центрирования образца относи­ тельно тяги и обеспечения необходимой площади электрического контакта между тягой и образцом при его нагреве прямым пропуска­ нием электрического тока.

В стенках камеры выполнено смотровое окно для наблюдения и измерения температуры образца в процессе испытаний, а также име­ ются отверстия для ввода термопар и вакуумметрических ламп.

Образец нагревайся прямым пропусканием тока, подводимого к захватам образца с помощью гибких шин, набранных из медной

фольги толщиной 0,1 мм. Сечение шин, площадь контакта в местах их крепления и сечение токоподводящих элементов захватов по­ добрано из расчета оптимальной удельной плотности тока, исклю­ чающей разогрев токоподводящих частей. Для предотвращения на­ грева захватов предусмотрено их охлаждение водой.

В камере с помощью стаканов 21 и 23 (см. рис. 19) установлен полированный алюминиевый экран 22, который предотвращает пере-

грев стенок корпуса камеры и способствует уменьшению тепловых потерь при нагреве образца.

Система нагрева включает силовой понижающий трансформатор ОСУ-40, регуляторы напряжения РНО-10-250 и РНО-5-250, а так­ же стабилизатор напряжений 5-5000. В процессе испытаний систе­ ма нагрева должна обеспечивать изменение температуры образца на трех стадиях нагрева: при минимальной температуре цикла, при максимальной температуре цикла и при форсированном нагреве образца, имеющем место во время перехода от минимального к максимальному уровню температуры. Для этого задействованы две выходные обмотки регулятора РНО-10-250 и одна обмотка РНО-5- 250. Необходимая очередность подключения выходных обмоток регуляторов на вход трансформатора в соответствии с программой испытаний обеспечивается контактами по команде от блока ав­ томатического управления. Применение электрической блокиров­ ки исключает возможность одновременного включения нагрева по двум или трем каналам.