относительному удлинению. Так, например, для сужения сечения нахождение каких-либо зависимостей от скорости ползучести исключается.

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО УДЛИНЕНИЯ НА ЗАВИСИМОСТЬ

НАПРЯЖЕНИЕ — ВРЕМЯ ДО РАЗРУШЕНИЯ

Изменение длительной прочности металлов во времени наи­ более полноценно может быть представлено обобщенной диаграм­

в условиях высоких температур в основном снижается из-за межзеренного разрушения. Однако существующее мнение о дискрет­ ной замене одного вида разрушения другим является неверным. При изучении изменения пластичности и влияния этого изменения на длительную прочность будет правильно рассматривать переход от внутризеренного к межзеренному разрушению в связи с увели­

чением времени испытания (или понижением скорости деформа­ ции) как процесс, включающий стадии с различным соотношением разрушения обоих видов. Фактически при испытаниях на длитель­ ную прочность никогда не бывает чисто межзеренного разрушения, а получается разрыв, соответствующий какой-либо из промежу­ точных стадий. На рис. 8, а схематически показано изменение отно­ сительного удлинения стали, учитывающее различные стадии развития межзеренного разрушения.

На основании данных по исследованию пластичности различ­ ных сталей при испытаниях на длительную прочность зависимость

изменения относительного удлинения от средней скорости ползу­ чести можно разделить на три основных интервала (см. рис. 8, в).

1.Внутризеренное разрушение, соответствующее максималь­ ной скорости деформации: пластичность при этом сохраняется на высоком уровне.

2.Прогрессивное развитие межзеренного разрушения, соот­

ветствующее средней скорости; деформационная способность

суменьшением скорости ползучести снижается.

3.Хрупкое разрушение, соответствующее предельно низким значениям относительного удлинения, практически не снижа­ ющимся при дальнейшем уменьшении скорости ползучести; имеет место при минимальной скорости деформации. В ряде случаев после третьего интервала наблюдается повышение пластичности.

Полагая, что длительная прочность во времени изменяется в соответствии с уравнением (1), для различных интервалов дефор­ мационной способности стали с понижением скорости ползучести получим:

1- й интервал. Примем, что средняя скорость ползучести vcp изменяется по тому же закону, что и минимальная, т. е.

иср = Воп.

Если относительное удлинение 6Р остается постоянным, то

бр = t>cp-T,

х =

В данном случае показатель степени в уравнении длительной проч­ ности будет иметь ту же величину, но с обратным знаком, что и показатель степени в уравнении, связывающем напряжение и сред­ нюю скорость ползучести, т. е. т = —п.

2- й интервал. Принимая в отношении изменения vcp от напря­ жения те же допущения и полагая, что относительное удлинение при разрушении изменяется со скоростью ползучести, в соответ­ ствии с уравнением (6), т. е.

бр =■ DvCp,

или

т = Аяо~п,

ной прочности с появлением межзеренного разрушения ( £ < 1 ). Зависимости, показанные на рис. 9, б, в (k = 1 и k > 1), не ха­ рактерны для современных жаропрочных сплавов.

Для металлов, рассмотренных в табл. 1 и 2 и на рис. 3 и 4, интервал скоростей ползучести, в котором происходило снижение деформационной способности, занимал 4—6 порядков. По времени этот интервал (см. рис. 5 и 6) составлял 3—4 порядка. Ориентиро­ вочно можно принять, что для падения относительного удлинения на порядок необходимо снижение скорости ползучести на Л^ср

порядка (11) или увеличение времени на Nx порядка (12):

( П )

( 12)

или

т. е. протяженность интервала по времени на один порядок меньше, чем по скорости ползучести.

При k = 0,3 в интервале интенсивного падения деформацион­ ной способности имеем: снижение средней скорости ползучести в 1000 раз уменьшает относительное удлинение в десять раз, или десятикратному снижению пластичности соответствует стократное увеличение времени до разрушения. При этом значении k мате­ риал, разрушающийся через 100 ч с деформацией 10%, должен разрушиться через 10 000 ч при относительном удлинении не менее одного процента и, наоборот, для материала, у которого удлинение при кратковременных испытаниях менее 10%, можно ожидать разрушения при деформациях менее одного процента уже через 100 ч.

Задавшись определенным значением k, на основании данных по пластической деформации, полученных при отдельных испытаниях, можно ориентировочно определить деформационную способность материала при длительной работе; более точное определение можно сделать на основании серии испытаний. Возможность определения коэффициента т в уравнении (1) с использованием уравнений (5)

и (6) подтверждается данными, приведенными в табл. 4 Значения

т, полученные из выражения т = п (k — 1) и определенные не­ посредственно из зависимости напряжение — время до разруше­ ния, дают хорошее совпадение.

Несмотря на то, что деформационную способность материалов при высоких температурах можно изучать с помощью испытаний на длительный разрыв, этот способ чрезвычайно трудоемок; тре-

Коэффициенты п, к, т [уравнение (Ю)]в определенные разными способами

буется большое число испытаний со значительным сроком, что не позволяет с помощью данного способа широко исследовать проб­ лему хрупких разрушений при высоких температурах.

ГЛАВА II

ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ ДЕФОРМАЦИИ

Из изложенного выше следует, что изменение относительного удлинения стали при длительном разрыве зависит от средней ско­ рости ползучести; соотношение между ними может быть выражено степенной функцией (6); длительная прочность сталей в значитель­ ной степени определяется интенсивностью снижения пластичности при уменьшении скорости ползучести. Кроме того, для правиль­ ного суждения о работоспособности жаропрочной стали или сплава необходимо качественно и количественно оценить их деформацион­ ную способность, выяснить эффективность влияния дополнитель­ ных факторов на склонность их к хрупким разрушениям. Для ма­ териала, предназначенного для длительной работы в условиях высоких температур, следует знать величину k в уравнении (6),

сительного удлинения, при котором возможно разрушение. Решить эти задачи при помощи испытаний на длительную прочность из-за трудоемкости способа крайне сложно.

В ЦКТИ был разработан более производительный способ, при котором применили испытания с постоянной скоростью деформа­ ции. Первые же опыты показали эффективность его. Разброс вели­ чин относительного удлинения оказался значительно меньше, чем при испытаниях с постоянной нагрузкой (при длительном раз­ рыве).

Испытания с различными скоростями деформации применяли

ираньше, например при изучении влияния скорости на прочность

иударную вязкость конструкционных материалов [1, 2, 12, 77]. Как известно, в диапазоне умеренных и низких температур увели­ чение скорости деформации одновременно с ростом сопротивления деформированию в определенных условиях повышает склонность

к хрупкому разрушению. Испытания с постоянной скоростью деформации применяют для изучения свойств чистых металлов [79] и конструкционных материалов [80, 81] в условиях высоких температур. В некоторых температурных интервалах при повыше­ нии скорости деформации наблюдается рост сопротивления дефор­ мированию и повышение пластичности, т. е. скорость деформирова­ ния при высоких температурах часто вызывает эффект, обратный получаемому при низкой температуре.

Интересные данные были получены Миллером [80], изучавшим влияние скорости деформации на. свойства перлитной стали при высоких температурах. Применив программные испытания со сту­ пенчатым изменением скоростей деформации, он показал, что ко­ нечная скорость деформации оказывает решающее влияние на общую величину относительного удлинения. Эти результаты дают основание полагать, что резкое повышение скорости ползучести в третьем периоде при длительном разрыве в значительной степени влияет на суммарное удлинение. Следствием этого, по-видимому, является значительно больший разброс значений относительного удлинения, получаемых при длительных испытаниях с постоянной нагрузкой, чем при испытаниях с постоянной скоростью. Приме­ нительно к более опасным хрупким разрушениям во втором пери­ оде ползучести, для которых деформация в третьем периоде ползу­ чести почти не представляет интереса, испытания с постоянной ско­ ростью создают более благоприятные условия для нахождения интересующих нас закономерностей изменения пластичности.

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ

Для оценки деформационной способности жаропрочных сталей серию образцов исследуемого металла подвергают испытаниям на растяжение в интервале температур около 400° С через 50— 100° С. Минимальная температура испытания для материалов на желез­ ной и хромоникелевой основе обычно берется 400—500° С, а мак­ симальная 800—1000° С.

Диапазон скоростей деформации составляет четыре порядка и более.

Продолжительность отдельных экспериментов в зависимости от заданной скорости и пластичности металла составляет от не­ скольких минут до тысячи и более часов.

Образцы для обычных испытаний имеют форму цилиндра с диа­ метром 8 мм, расчетная длина образцов 40 мм. При исследованиях влияния таких факторов, как концентраторы напряжений, мас­ штаб, технология и т. д., применяются специальные образцы.

Кроме относительного удлинения, зависимость которого от ско­ рости деформации и температуры находят по данным испытаний, определяют также поперечное сужение, пределы текучести и проч­ ности и истинное сопротивление при разрушении.

[ При расчете относительного удлинения из суммарного удлине­ ния при разрушении, которое получают при обработке диаграммы деформация — растягивающее усилие, вычитают величину упру­ гой деформации.

Испытание с заданной скоростью деформации 1 — 1000%1ч осуществляют на обычных разрывных машинах, например ИМ4Р, ИМ12 [11, 81, 82], оснащенных печью с регулируемой темпера­ турой и редуктором, при этом относительное удлинение определяют по диаграмме. Продолжительность испытаний на указанном обо­ рудовании составляет от нескольких минут до суток.

При скорости деформации 1%/ни менее относительная погреш­ ность вследствие тепловых изменений деталей машины насколько возрастает, что поддерживать скорость постоянной становится затруднительным. Поэтому при испытаниях с малыми скоростями деформации применяют специальные, более чувствительные уста­ новки. В ЦКТИ Н. Д. Зайцевым [97] были созданы машины, по­ зволяющие работать со скоростями деформации от 1 до 3 - 10_3 %1ч. Указанные выше недостатки устранены в машине 5ИМ, внешний вид которой показан на рис. 10, а принципиальная схема на рис. 11.

Испытуемый образец 10 помещают в печь, в которой поддержи­ вается необходимая температура с точностью ±2° С. Растягива­ ющее усилие передается образцу через захваты от рычага. На­ грузку меняют перемещением груза 14 по рычагу. Груз 14 состоит из двух частей, создающих растягивающие усилия от нуля до 9800 н (1000 кГ) при малом и от нуля до 49000 н (5000 кГ) при боль­ шом грузе.

Для замера деформации тяги экстензометра закрепляют на верхней и нижней головках образца и выводят через пустотелый захват на верхнюю плиту станины. Размещение тяг экстензометра внутри пустотелого захвата в значительной степени устраняет влияние колебаний температуры. ,

На тягах экстензометра, соединенных с нижней головкой об­ разца, крепится коробка, в которой размещены два неподвижных контакта 8 и 9.

На тягах, связанных с верхней головкой образца, закреплена деталь, несущая индикатор, который изменяет деформацию об­ разца, микрометрическую головку 5, редуктор и сельсин 4.

Для осуществления деформации образца с постоянной ско­ ростью электрическому контакту 7, расположенному в узком зазоре между контактами 8 и 9, задается определенная скорость перемещения.

Если скорость перемещения контакта 7 меньше скорости пол­ зучести, которая возникает в образце 10 под действием растягива­ ющей нагрузки, происходит соприкосновение контактов 7 и 9. В этом случае цепь электродвигателя 15 замыкается и груз 14 перемещается в направлении к опоре. В результате растягивающее усилие уменьшается и скорость ползучести убывает.