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

На рис. 22 показаны реальные диаграммы записи температуры при различных режимах изменения ее величины в зависимости от программы проводимых на установке испытаний. Таким образом, характер изменения температуры и нагрузки в процессе испытаний может быть различным. Изменяя время выдержки, можно получить такие циклы изменения температуры и нагрузки образца: с выдерж­ кой на верхнем уровне, G выдержкой на нижнем уровне и треуголь­ ный цикл изменения температуры и нагрузки. Кроме того, обеспе­

нагружения [1611.

Для исследования закономерностей деформирования и разруше­ ния тугоплавких сплавов при испытаниях на термическую уста­ лость по третьему режиму (см. рис. 16, в) разработана установка [151, 1531, которая позволяет проводить испытания на жестко за­ щемленных образцах в вакууме в широком диапазоне скоростей нагрева. Известно, что при жестком защемлении образцов напряже­ ния в образце возникают в результате механического ограничения его тепловой деформации при нагреве и охлаждении [651. Степень стесненности тепловой деформации образца зависит от податливости системы его защемления и определяется коэффициентом жесткости, величина которого может изменяться от 0 до 1. Коэффициент жест­ кости, равный нулю, соответствует условиям испытаний незащемленных образцов, когда механическое ограничение при их тепловом деформировании отсутствует. Если коэффициент жесткости равен единице, то в этом случае система защемления считается абсолютно

жесткой и вся тепловая деформация образца трансформируется в

ческая деформация, состоящая из упругой и пластической состав­ ляющих.

Практически весьма трудно создать систему с абсолютно жест­

Рис. 23. Блок-схема установки для исследования термической усталости туго­ плавких сплавов.

имеют механизмы защемления образца, допускающие при испыта­ ниях определенное перемещение его торцов, величина которого 60 определяется податливостью системы защемления. Для этого случая

Варьируя податливостью системы защемления, для одинаковых температурных циклов можно получать такие условия нагружения, при которых величина действующих в образце напряжений и вели­ чина его пластической деформации будет изменяться и, следователь­ но, будет изменяться число циклов до разрушения. Это позволяет при испытаниях на термическую усталость получать кривые уста­ лости для фиксированных температурных циклов. Такая возмож­ ность реализована в описываемой установке благодаря применению механизма варьируемого защемления образца оригинальной кон­ струкции. Установка (рис. 23) состоит из механической части /, включающей жесткую раму 3 и вакуумную камеру 2У механизма варьируемого защемления образца 5, блока нагрева 10, блока авто­ матического функционального регулирования температуры 9, бло­ ка записи деформации и усилия 5, вакуумной системы 4.

Механизм варьируемого защемления (рис. 24) представляет собой систему работающих на кручение торсионов 2 , кинематически свя­ занных через рычаги 1 и винтовые домкраты 5 и 6 с неподвижной рамой, а через кулаки 3 — со штифтом 4 подвижного захвата 7. Степень заневоливания образца 8 зависит от суммарной жесткости торсионов, так как они являются промежуточным упругим элемен­ том между образцом и ограничивающей его жесткой рамой. Кон-

чивает безлюфтовое соединение подвижного захвата с нажимными кулаками, соосное приложение нагрузки на образец и удобство при эксплуатации. Изменение суммарной жесткости торсионов обеспе­ чивается благодаря сочетанию пар торсионов различных размеров. Механизм варьируемого защемления монтируется на верхней пли­ те жесткой рамы, на нижней плите рамы расположена вакуумная камера, внутри которой в захватах крепится образец.

Вакуумная система установки состоит из камеры, паромасляно­ го насоса Н-5С, двух форвакуумных насосов ВН-2МГ и вакуумметра ВИТ-1 А с соответствующими лампами. Нагрев образца осуществля­ ется прямым пропусканием тока.

В данной установке применена система функционального регу­ лирования температуры образца с обратной связью, позволяющая проводить испытания при любой форме температурного цикла и скоростях нагрева до 200 град/сек. Система работает по принципу регулирования по отклонению, т. е. измеряет текущие значения

регулируемой величины у (/), сравнивает их с величинами, задан­ ными программой g (/), и при наличии ошибки х (/) = g (/) — у (t) Ф Ф 0 формирует регулирующее воздействие на объект регулирова­ ния. Цикл работы замкнут отрицательной обратной связью (рис. 25). Программа задается прибором типа РУ5-02М (блок 3), на котором полный рабочий цикл задается кольцевым силуэтным графиком, что значительно сокращает трудоемкость задания программы при большой .базе испытаний и обеспечивает повторяемость циклов с высокой точностью. Система позволяет регулировать скорость на­ грева образца с точностью ± 2 % от номинала и с такой же точностью поддерживать температуру на заданном уровне. Считывается про­ грамма с силуэтного графика светочувствительной головкой с фото­ резистором, связанной с движком задающего реохорда 100%-ной пропорциональности.

Измерительный прибор ЭПП-09М (блок 4) в цепи обратной связи измеряет текущее значение регулируемого параметра (температу­ ры) с помощью термопары. Текущее значение параметра фиксируй ется также реохордом 100%-ной пропорциональности. При наличии разности потенциалов между движками задающего и измерительно­ го реохордов эта величина рассогласования поступает в промежу­ точные элементы системы.

Прибор РУ4-16а (блок 2) обеспечивает пропорциональное регу­ лирование. Из блока 2 сигнал поступает в фазочувствительный уси­ литель (блок 1). Усиливаясь до величин, достаточных для сеточного управления тиратронами 77 и Т2, он поступает в игнитронный на­ греватель, являющийся исполнительным регулирующим органом в данной системе. В схеме использованы игнитроны И1 и И2 сварочной серии марки И140/08, соединенные по схеме встречно-параллельного включения. Управляя поджиганием игнитронов, можно регули­ ровать длительность протекания тока и его величину, а следо­ вательно, и температуру нагрева образца. При испытаниях в ваку­ уме образец охлаждается в основном теплоотводом через массивные водоохлаждаемые захваты.

Деформации и усилия в образце измеряются тензометрическими датчиками 6 и 7 (см. рис. 23), наклеенными соответственно на торсионах механизма защемления и на скобе. Сигнал, поступающий от тензодатчиков при испытаниях, после усиления тензостанцией 8АИЧ-7М записывается на шлейфном осциллографе Н-700.

Методики проведения высокотемпературных испытаний на этой установке и на описанной выше установке УТУВ-1 для исследова­ ния малоцикловой усталости при неизотермическом изменении тем­ пературы одинаковы. В обоих случаях испытания проводятся при циклическом изменении температуры в вакууме, используются оди­ наковые образцы и их нагрев осуществляется прямым пропуска­ нием тока; деформация и усилие определяются по осциллограммам, записанным от тензодатчиков, наклеенных на упругих элементах и вынесенных из вакуума и зоны высоких температур. Поэтому мето­ дические особенности проведения таких испытаний проанализи-

рованы ниже только применительно к работе установки УТУВ-1.

Рассмотрим вакуумную систему установки. Испытания туго­ плавких сплавов в условиях высоких температур проводились в вакууме. Газы из камеры при создании вакуума удалялись паро­ масляным диффузионным насосом Н-5Си двумя форвакуумными насосами ВН-2МГ. Необходимость установки двух форвакуумных насосов продиктована значительной длительностью испытаний. Пе­ риодическим переключением насосов обеспечивается практически неограниченная продолжительность работы вакуумной системы. Степень разрежения в камере измерялась ионизационно-термопар­ ным вакуумметром ВИТ-1 А с помощью соответствующих ламп ЛТ-2

и ЛМ-2. Разъемные соединения герметизировались прокладками из вакуумной резины. Вакуум в камере в процессе испытаний поддер­

живался на уровне 1 « 10Г4 — 1 • 10” 5 мм рт. ст.

Увеличение температуры до рабочего уровня перед началом испы­ таний производилось путем ступенчатого прогрева образца в тече­ ние 1— 2 ч, при этом давление в камере поддерживалось на уровне,

не превышающем 2 • КГ-4 мм рт. ст. Это связано с тем, что при быст­ ром увеличении температуры вновь установленного образца до 1000° С и более в камере происходит резкое повышение давления

до 1 • 10-3 — 1 • 10” 2 мм рт. ст., обусловленное обезгаживанием образца и деталей крепления, а также испарением конденсата водя­ ных паров и масел.

После ступенчатого прогрева образца и достижения наиболь­ шей рабочей температуры цикла производится запуск установки.. В процессе высокотемпературных испытаний остаточное давление в камере уменьшается.

Характер изменения остаточного давления в камере в зависимос­ ти от числа циклов нагрева и нагружения иллюстрируется данными, приведенными на рие. 26. При минимальной температуре цикла

изменение остаточного давления в камере с увеличением длитель­ ности испытаний несущественно для треугольного цикла и более существенно для трапецоидального. При максимальной температу­ ре давление для двух циклов уменьшается на порядок, т. е. после длительного прогрева находящихся в вакууме деталей и при мош­

ной системе откачки газов в каме­ ре можно получить достаточно вы­ сокий вакуум. Однако абсолют­ ное остаточное давление в каме­ ре не является единственной и определяющей характеристикой вакуума. Степень чистоты ваку­ ума прежде всего зависит от на­ текания в систему при отсоеди­ нении ее от насосов. Основными характеристиками натекания яв­ ляются две величины:

t [сек]).

Для описываемой вакуумной системы характеристики натека­ ния определялись при комнатной температуре после достижения низкого остаточного давления до испытаний, а также после испы­ таний образца по различным режимам. На рис. 27 приведены кри­ вые изменения давления в камере во времени после отключения форвакуумного насоса, а в табл. 1 — изменение значений Дq и Qh для соответствующих кривых натекания, которые определены с исполь­ зованием выражений (1.4) и (1.5). Приведенные данные свидетель­ ствуют о том, что скорость натекания уменьшается при увеличении выдержки образца в условиях максимальной температуры. Если образец перед измерением скорости натекания не прогревался (кри­ вая 1) или прогревался в течение незначительного времени (кри­ вая 2), натекание в вакуумную систему было больше, чем при дли­ тельных испытаниях (кривые 3—5). Следует отметить, что значения

выдержки образца в нагретом состоянии величина градиента сущест­ венно уменьшается, а при неизотермических испытаниях она может изменяться и в течение одного цикла. При нагреве образца величи­ на градиента больше, чем при охлаждении в результате тепловой инерционности массивных захватов. Поэтому градиент температуры может быть значительно уменьшен подогревом захватов.

Более равномерное распределение температуры по длине труб­ чатого образца может быть также достигнуто с помощью параболи­

пературы по его длине стабилизируется и не изменяется при выдерж­ ке в условиях максимальной температуры. Такой характер темпера­ турного распределения сохраняется и при изотермических испыта­ ниях. Кривая распределения при тн = 10 сек соответствует неизо­ термическим условиям испытаний, т. е. характер распределения температуры по длине образца при испытаниях по первому и вто­ рому режимам (см. рис. 16) существенно отличается, и для получе­ ния сопоставимых результатов испытаний его влияние необходимо учитывать при определении величины относительной пластической деформации.

Для измерения температуры в условиях длительных высокотем­ пературных испытаний можно использовать платинородий-плати- новые термопары при температурах до 1400° С и при более высо­ ких — вольфрам-рениевые. Эти термопары плохо привариваются к тугоплавким металлам, и в процессе длительных испытаний воз­ можно разрушение спая и отсоединение термопары от образца.