Длительная прочность при растяжении

Длительной прочностью называется сопротивление материала механическому разрушению под действием длительно приложенной постоянной нагрузки при высокой температуре.

Различают длительную прочность при растяжении, кручении и изгибе, а также в сложнонапряженном состоянии, например растяжение и изгиб, растяжение и кручение.

Длительная прочность характеризуется пределом длительной прочности. Предел длительной прочности чаще всего определяют при растяжении. Длительная прочность большинства материалов с повышением температуры снижается; она зависит также от химического состава, микроструктуры (размера зерна, формы, размера и характера распределения упрочняющих частиц), состояния поверхности образцов (снижается при увеличении шероховатости), окружающей среды (может резко снижаться при взаимодействии с легкоплавкими жидкими металлами).

Длительная прочность наряду с сопротивлением ползучести и жаростойкостью является важной характеристикой при выборе жаропрочных сплавов.

Испытание на длительную прочность при температурах до 1200 °С заключается в том, что образец доводится до разрушения под действием постоянной растягивающей нагрузки при постоянной температуре.

В результате испытаний определяют предел длительной прочности, т. е. наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время испытания при постоянной температуре, или устанавливают соответствие между временем до разрушения и нормой времени, указанной в стандартах или технических условиях на металлопродукцию.

При испытании материалов, применяемых в ракетостроении, это время может составлять несколько секунд, для стационарных турбин — до сотен тысяч часов.

Для испытаний на длительную прочность устанавливают образцы следующей формы и размеров: цилиндрические образцы диаметром 5 мм с начальной расчетной длиной 25 мм; диаметром 10 мм с начальной расчетной длиной 50 мм; диаметром 10 мм с начальной расчетной длиной 100 мм; диаметром 7 мм с начальной расчетной длиной 70 мм; плоские образцы с начальной расчетной длиной /0 = 5,65(/70)0’5, где Fq — начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, мм2. Толщина плоского образца определяется толщиной проката.

Допускается при наличии технических обоснований применять пропорциональные образцы других размеров и формы. Диаметр цилиндрических образцов должен быть не менее 3 мм. Форма и размеры образца для испытаний устанавливаются стандартами или техническими условиями на металлопродукцию.

Применяя образцы различных размеров, необходимо учитывать возможное влияние масштабного фактора на результаты испытания.

Форма и размеры головок образца и переходной части от головки к его рабочей длине определяются принятым способом крепления образца в захватах испытательной машины. Сопряжение головки образца с его рабочей частью должно быть плавным.

Образцы должны иметь одинаковую площадь поперечного сечения по всей расчетной длине. Допускаемые отклонения по величине площади поперечного сечения ±0,5 %. Поверхность образцов должна быть гладкой, без рисок и повреждений.

Плоские образцы можно применять двух видов: с сохранением поверхностного слоя или (при наличии особых указаний в стандартах или другой технической документации) с обработанной поверхностью.

Машины для испытания металлов на длительную прочность, как и на ползучесть, должны обеспечивать постоянство нагрузки в течение всего процесса испытания, плавность нагружения и раз- гружения образца, приложение нагрузки к образцу с погрешностью не более ±1 %, надежное центрирование образца.

Рис. 3.7. Машина 1243ПРЛ-5/1200 для испытаний на длительную прочность и ползучесть

Этим требованиям отвечают машины АИМА-5-2, 1243ПРЛ-5/1200, 1242П-1/

1800 и комплексная заводская лаборатория (КЗЛ) 1712СДП-3/1000.

На рис. 3.7 показана машина 1243ПРЛ-5/1200 для длительных испытаний образцов материалов при растяжении с заданной скоростью деформации.

Она предназначена для испытаний в воздушной среде при температуре от 150 до 1200 °С. Специальное устройство задает скорость деформирования образца. Коррекция скорости осуществляется следящим приводом с использованием в качестве обратной связи индуктивного датчика перемещения. Машина снабжена автоматическим самопишущим устройством для записи диаграммы в координатах «нагрузка — время».

Основное достоинство машины — возможность проведения испытаний в широком диапазоне температур и скоростей деформирования с использованием следящего привода.

Наибольшая испытательная нагрузка составляет 49 050 Н. Скорость движения активного захвата от 0,00005 до 20,0 мм/ч.

На машине можно испытывать образцы диаметром до 10 мм, рабочей длиной 50, 100 и 200 мм.

Полуавтоматическая машина 1242П-1/1800 предназначена для испытания материалов на ползучесть и длительную прочность в вакууме при температурах от 800 до 1800 °С с автоматической записью диаграмм «температура — время» и «деформация — время».

Нагрузка к образцу может быть приложена через рычажную систему или непосредственно при помощи тяги.

Особенностью конструкции является возможность автоматической записи диаграммы испытаний в координатах «деформация — время», а также самоустановка образца для обеспечения центричности приложения нагрузки.

Диапазоны испытательных нагрузок, приложенных через тягу, составляют от 2 до 50 кгс (от 19,6 до 490 Н), а через рычажную систему — от 50 до 1000 кгс (от 490 до 9810 Н).

Для массовых стандартных испытаний металлов на длительную прочность в воздушной среде при температуре от 500 до 1000 °С предназначена комплексная заводская лаборатория 1712СДП-3/1000.

Нагревательное устройство должно обеспечивать равномерный нагрев образцов до заданной температуры и сохранение температуры на протяжении всего испытания. Допускается, если этого требуют условия испытания, применение нагревательных устройств с защитной или иной атмосферой.

Температуру следует измерять приборами с погрешностью не более 0,5 %.

Испытания проводятся следующим образом. Установленный в захватах испытательной машины и помещенный в печь образец нагревают до заданной температуры (время нагрева, как правило, должно быть не более 8 ч) и выдерживают его при этой температуре не менее 1 ч.

В особых случаях время нагрева может быть более 8 ч, если испытываемый материал имеет стабильную структуру и предназначен для длительных сроков службы, а время предварительной выдержки менее 1 ч, если испытываемый материал имеет нестабильную структуру и предназначен для небольших сроков службы.

Для измерения температуры образцов на концах их рабочей части должно быть установлено не менее двух термопар таким образом, чтобы горячие спаи плотно соприкасались с поверхностью образца. Горячий спай термопары должен быть защищен от воздействия раскаленных стенок печи.

Холодный спай термопары в процессе испытания должен иметь постоянную температуру.

Отклонения от установившейся заданной температуры в любой момент в течение всего времени испытания и в любой точке расчетной длины образца не должны превышать при температуре нагрева до 600 °С ±3, при температуре нагрева от 600 до 900 °С — ±4, от 900 до 1200 °С — ±6 °С.

Необходимо периодически, не реже чем через 2 ч, измерять температуру с помощью потенциометра. Рекомендуется автоматическая запись температуры на протяжении всего испытания.

Температура испытания выбирается кратной 50 °С, если по условиям исследования не требуется специальная температура.

После нагрева образца и выдержки при заданной температуре к образцу плавно прикладывают нагрузку.

Время до разрушения при заданной величине напряжения является основным показателем данного вида испытания.

После разрушения образца определяют относительное удлинение 5 и относительное сужение образца ц/.

В некоторых случаях при проведении испытаний доводить образец до разрушения не обязательно — если образец выдержал норму времени, требуемую стандартами или техническими условиями и при этом не требуется определения пластичности.

Продолжительность испытания устанавливается для каждого металла в зависимости от его назначения.

Рекомендуется определять пределы длительной прочности на основе испытаний продолжительностью 50, 100, 500, 1000, 3000, 5000 и 10 000 ч, если не требуется другая длительность испытания.

Результаты испытаний считаются недействительными: при разрыве образца по разметочным рискам или кернам, а также за пределами его расчетной длины или в зоне галтелей, за исключением испытаний, при которых суммарная их продолжительность или суммарное удлинение не ниже установленных стандартами или техническими условиями на металлопродукцию; при разрыве образца по металлургическим дефектам (расслоям, пузырям, пленам, трещинам и т. д.).

Во время испытаний температура помещения должна быть по возможности постоянной. Испытание на длительную прочность можно проводить «цепочкой», т. е. одновременно нескольких образцов на одной машине. В некоторых случаях на длительную прочность испытывают образцы с надрезом.

В результате испытаний устанавливается зависимость между напряжением и временем до разрушения, которая может быть выражена графиками, построенными в логарифмической, полулогарифмической или иной системе координат. По этим графикам путем интерполяции или экстраполяции определяют предел длительной прочности металла.

Величину предела длительной прочности следует определять с точностью до 0,5 кгс/мм2 (4,9 МПа).

Предел длительной прочности обозначается а с двумя числовыми индексами: верхним — температурой испытания, °С; нижним — заданной продолжительностью испытания до разрушения, ч; продолжительность испытания можно обозначить числом часов или цифрой 10 с показателем степени, например: o{qq0 — предел длительной прочности за 1000 ч испытания при температуре 700 °С.

Относительное удлинение в процентах после разрыва подсчитывают по формуле 5 = (/к — /0)100//0, где /0 — начальная расчетная длина (измеряется при нормальной температуре перед испытанием образца), мм; /к — расчетная длина после разрыва, мм.

Начальную расчетную длину /0 — длину участка рабочей части образца, на котором измеряется удлинение, перед началом испытания ограничивают рисками или кернами с точностью ±1 %.

В технически обоснованных случаях за начальную расчетную длину допускается принимать расстояние между головками образца или расстояние между кернами, нанесенными на галтелях последнего.

Для измерения расчетной длины /к после разрыва разрушенные части образца плотно складываются так, чтобы оси их образовывали прямую линию. Измерение производится с точностью до 0,05 мм.

Если после испытания образца в месте разрыва образуется частичный зазор, обусловленный выкрашиванием металла или другими причинами, то он включается в длину расчетной части образца после разрыва.

Относительное сужение после разрыва в процентах цилиндрических образцов подсчитывают по формуле

где Fq — начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, измеренная при нормальной температуре перед испытанием, мм2; FK — минимальная площадь поперечного сечения образца после разрушения, подсчитанная по среднему арифметическому из результатов измерений минимального диаметра в месте разрыва в двух взаимно перпендикулярных направлениях, мм2.

Измерение диаметра образца до и после испытания производится с точностью до 0,05 мм.