книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

для детали может быть допущена более или менее значительная деформация, например 8— 10%, то такая деформация оказывается все же недопустимой и опасной, так как металл, длительно нагру­ женный в условиях высокой температуры, проявляет при разру­ шении значительно меньшую пластичность, чем в условиях ком­ натной температуры. При высоких температурах часто происходят хрупкие, почти бездеформационные разрушения металла, причем тот же металл, вновь испытанный при комнатной температуре, обнаруживает нормальную пластичность.

Исследования металла, доведенного растяжением до разруше­ ния при нормальной температуре, свидетельствуют о том, что зерна металла значительно деформиро­ ваны в направлении действующего усилия и разрушение происходит по зернам. Такому растяжению предшествует значительная пла­ стическая деформация металла.

Образец разрывается при высоких значениях относительного удлине­ ния и сжатия.

Иная картина наблюдается при разрушении после длительного воздействия высоких температур. Деформация зерен значительно уменьшается, зерна сдвигаются относительно друг друга, между зернами образуются микротре­ щины, целостность металла нару­

шается. В этом случае предшествующая разрушению пластическая деформация оказывается весьма незначительной.

При нормальной температуре прочность зерна металла меньше, чем прочность сцепления зерен. Поэтому разрушение металла происходит по зерну и является внутрикристаллическим. С по­ вышением температуры прочность зерен уменьшается, но одновре­ менно и притом с большей скоростью уменьшается прочность по

в зависимости от повышения температуры схематически показано на рис. 37. Выше температуры, которая соответствует точке пере­ сечения линий, характеризующих указанные зависимости, раз­ рушение происходит по границам зерен и является межкристал­ лическим. Температуру, при которой прочность зерен и прочность по их границам равны, называют температурой равной прочности. Разрушение металла после длительной работы в условиях ползу­ чести происходит обычно по границам зерен.

Сопротивляемость металлов ползучести зависит от многих фак­ торов: химического состава; технологического процесса выплавки,

90

ковки и термической обработки; величины зерна; характера и величины структурных составляющих; степени загрязненности стали и т. д. Чем выше температура, при которой работает металл, и чем значительнее действующие на него напряжения, тем при прочих равных условиях больше скорость ползучести.

Влияние изменения температуры очень велико. Скорость пол­ зучести увеличивается весьма существенно даже при небольшом повышении температуры. Поэтому нужна тщательная оценка тем­ пературных условий, в которых работает металл. Даже относи­ тельно небольшая ошибка в их определении может привести к тому, что деформация ползучести превзойдет допустимую, и нормальная работа машины нарушится.

Кроме температуры и напряжения, играющих решающую роль в развитии процесса ползучести данного металла, существенное влияние на скорость ползучести оказывают изменения структуры металла, старение и другие факторы. Многообразие этих факторов и отсутствие возможности количественно оценить их влияние ме­ тодами теоретического анализа или расчета приводит к необхо­ димости проводить соответствующие исследования и испытания на образцах и моделях деталей.

Критерием для оценки сопротивления металла ползучести служит так называемый условный предел ползучести — напря­ жение, вызывающее определенную скорость ползучести или опре­ деленную суммарную деформацию детали за намечаемый период ее работы. Скорость ползучести, как отмечалось выше, изменяется в зависимости от температуры. Поэтому условный предел ползу­ чести определяют обычно для рабочей температуры металла и для температур, близких к ней. Условный предел ползучести можно устанавливать на базе допустимой скорости ползучести или до­ пустимой суммарной деформации. В первом случае на основании первичных кривых ползучести, полученных при различных на­ пряжениях и температурах испытаний, строят в логарифмической системе координат зависимость между напряжением сг и ско­ ростью и ползучести для различных температур t. Отсюда полу­ чают диаграмму значений предела ползучести при различных тем­ пературах для допустимых скоростей ползучести, которыми за­ даются.

Во втором случае на основании тех же первичных кривых пол­ зучести строят зависимость между напряжением и суммарной де­ формацией е металла при различной длительности Ѳ испытаний. На основании обработки этих кривых получают значения предела ползучести при различных температурах для заданной суммарной деформации (например, 1%) и принятой длительности эксплуа­ тации.

Исследования ползучести проводят на специальных машинах. Наиболее распространенными являются испытания на ползучесть в условиях одноосного растяжения цилиндрических образцов по­ стоянным усилием при заданной температуре. Принципиально

91

такое испытание на ползучесть несложно и заключается в том, что образец исследуемого металла длительно выдерживают в печи при заданной температуре под действием постоянной нагрузки. Перио­ дически осуществляемые в ходе испытания измерения удлинения рабочей части образца позволяют судить о деформации нагру­ женного образца с течением времени.

Это простое испытание значительно усложняется в связи с не­ обходимостью обеспечения высокой степени постоянства темпера­ туры и равномерности ее распределения по

пературы испытания в любой его момент и в любой точке расчетной длины образца составляют ±3 и ±4° С соответственно при температурах нагрева до 600° С и от 600 до 900° С. Общая про­ должительность испытания каждого образца должна составлять не менее 2000—3000 ч, причем на прямолинейном участке кривой ползучести не менее 500 ч.

Испытаниям на ползучесть подвергают не менее четырех образ­ цов при одинаковой температуре и разных напряжениях. Такие испытания повторяют при трех различных температурах. На осно­ вании результатов приведенных испытаний можно определить условный предел ползучести по ее скорости или величине дефор­ мации. Предел ползучести обозначают а с верхним и нижним ин-

92

дексами. В верхнем индексе указана температура испытаний в °С. При определении предела ползучести по ее скорости нижний индекс обозначает заданную скорость ползучести в %/ч. Если предел ползучести определяют по величине деформации, то в двух нижних индексах показывают заданное удлинение в процентах и продолжительность испытания в часах. Так, для примера, в пер­

вом случае обозначение предела ползучести crf??0_5, а во втором

0 0 ,2.3000−

Найденные указанными методами значения предела ползу­ чести справедливы при заданных температуре и напряжении для срока службы, близкого к длительности испытания. Однако для практических целей необходимо оценить значение предела ползучести применительно к периоду эксплуатации турбин до 100 000 ч и более. Эксперименты с такой длительностью пребы­ вания образца под нагрузкой можно осуществить лишь в единич­ ных случаях. Поэтому чтобы определить скорость ползучести для реальных сроков службы, необходима экстраполяция от резуль­ татов сравнительно кратковременных испытаний к величинам, принятым для металлов деталей мощных паровых турбин, работаю­ щих при высоких температурах. Для этого пользуются прибли­ женной зависимостью

ѵр = Аап,

где Ѵр — установившаяся скорость ползучести, условно прини­ маемая за постоянную; а — напряжение; A n n — коэффициенты, постоянные для данной температуры и металла.

Влогарифмической системе координат (lg ѵр — lg а) эта за­ висимость представляет собой прямую линию.

Влабораториях турбинных заводов и научно-исследователь­ ских институтов для испытаний металлов на ползучесть при растя­ жении используют установки конструкции ЦНИИТМАШа, ЦКТИ им. И. И. Ползунова и др.

Машины для испытаний на ползучесть должны работать в та­ ких условиях, которые исключают возможность вредного влияния толчков и вибраций, создаваемых работающими поблизости порш­ невыми машинами, ковочными молотами, крупными металлоре­ жущими станками, транспортными устройствами— кранами, авто­ машинами и пр. Машины для таких испытаний целесообразно уста­ навливать в подвальных помещениях на достаточно массивных фундаментах или на фундаментах с виброизоляцией.

Исследования ползучести металлов с применением способа экстраполяции даже при относительно небольшой продолжитель­ ности испытаний каждого образца являются процессом весьма длительным. При этом надежность оценки значения предела пол­ зучести не всегда оказывается достаточно высокой, так как ско­ рость ползучести зависит от многих факторов. Для данного сплава к таким факторам можно отнести изменение содержания легирую­ щих элементов в пределах марочного состава сплава, степень

93

чистоты металла, размеры зерен и состояние их границ, термиче­ скую обработку, микроскопическое и субмикроскопическое строе­ ние и др.

Необходимы испытания сотен образцов, чтобы проверить влия­ ние на величину предела ползучести даже минимального варьиро­ вания основных факторов. Осуществить такой объем испытаний удается далеко не всегда. Этим в известной мере объясняются расхождения характеристик ползучести одной и той же марки стали, определяемых в различных лабораториях, отклонения этих

Рис. 39. Кольцевой образец для испытаний металлов на ползучесть и релаксацию

характеристик стали и сплавов, находящихся в промышленном производстве, от полученных ранее на опытных и первых промыш­ ленных плавках.

Для ускорения исследований ползучести созданы установки, позволяющие одновременно испытывать большое количество об­ разцов.

Исследования ползучести выполняют в основном при растя­ жении. Литературные данные и справочные материалы, характери­ зующие уровень ползучести сталей и сплавов при различных тем­ пературах, относятся преимущественно к этому виду напряжен­ ного состояния. Проводят также испытания на ползучесть в усло­ виях кручения, изгиба, внутреннего давления, сложного напря­ женного состояния при комбинированном действии различных видов нагружения.

Метод массовых испытаний на ползучесть при изгибе был предложен И. А. Одингом. Для испытаний был применен образец в виде кольца специальной формы (рис. 39). Расчетная часть об­ разца — участок ВAB — представляет собой брус равного сопро­ тивления. Соответствующее распределение напряжений дости-

94

гается формой расчетного участка, образуемой двумя полу­ окружностями, расположенными с эксцентрицитетом е = 1,4 мм.

Образец, помещенный в печь, подвергают в условиях опре­ деленной температуры длительному воздействию сил Q, напра­ вленных в противоположные стороны и изгибающих кольцо. Это осуществляется (рис. 40) при помощи груза 6, действующего

и числом витков 2,5. Витки образуются фрезерованием диско­ выми фрезами. Головки образца, общая длина которого равна 40 мм, трубчатые, с шлифованными торцовыми плоскостями. Такой образец испытывают на сжатие в печи при заданной темпе­ ратуре. Регулируют и измеряют температуру так же, как и во время испытаний на ползучесть при растяжении. Деформацию ползучести оценивают по изменению величины осадки пружины, предварительно тарированной в холодном состоянии. Кривые ползучести сжимаемых таким образом образцов по характеру аналогичны получаемым при одноосном растяжении. Для коли­ чественной оценки ползучести металла при растяжении по данным испытаний пружины выполняют соответствующие расчеты.

95

Актуальный интерес представляют исследования ползучести на подвижных и неподвижных натурных деталях или их моделях в условиях сложнонапряженного состояния, переменных темпе­ ратур и нагрузок, наличия концентраторов напряжения и воз­ действия других факторов, которые могут иметь место в процессе эксплуатации элементов турбин, работающих при высоких темпе­ ратурах. Такие исследования осуществляют во все расширяю­ щихся масштабах на специальных установках в ЦНИИТМАШе, ЦКТИ им. И. И. Ползунова, других научно-исследовательских институтах и на турбинных заводах.

В ЦНИИТМАШе разработана серия установок для испытаний вращающихся дисков на ползучесть, длительную прочность, кратковременную статическую прочность в условиях высоких температур как постоянных в течение всего периода испытания, так и переменных во времени и по длине радиуса исследуемого диска. Установка ВРД-500 позволяет испытывать диски диаме­ тром до 500 мм и массой до 100 кг при частоте вращения до 30 000 об/мин и температурах до 850° С. Исследуемый диск вра­ щается в горизонтальной плоскости воздушной турбиной. Для уменьшения необходимой мощности привода диск вращается в вакууме, для чего установлен вакуумный насос и осуществлена система герметизации.

Диск обогревается электропечью со спиральными нагрева­ телями из нихромовой ленты или однокольцевымй индукторами, расположенными над ободом либо под ободом испытываемого диска. Тепловой режим диска обеспечивается и контролируется автоматическими устройствами. В установке ВРД-500, оснащенной броней из стали и свинца, диск можно довести до разрушения. На таких установках исследуют ползучесть и другие явления, протекающие в металле дисков в условиях, приближающихся к имеющим место в эксплуатации турбин.

Для исследований ползучести на моделях дисков, изгото­ вленных из свинца, был спроектирован и сооружен эксперимен­ тальный стенд. Ползучесть свинца наблюдается при комнатной температуре, поэтому исследуемая модель диска не требовала нагрева. Нагрузка создавалась постоянным в течение всего времени испытания давлением газообразного азота, действовав­ шим на поверхность внутренней расточки модели диска. Дефор­ мацию ползучести определяли по результатам измерения ради­ альных перемещений на ободе диска в четырех симметрично расположенных точках по наружной цилиндрической поверх­ ности модели и по плоскости диска на различных расстояниях от центра модели. Радиальные перемещения во всех намеченных точках измеряли при помощи стрелочных индикаторов. В местах замеров были ввернуты на резьбе специальные бобышки. Вид кривых ползучести, полученных на этом стенде при постоянной гидростатической нагрузке на расточке диска, не отличается по своему характеру от обычных кривых ползучести.

96

Пока еще нет достаточно надежных методов расчета диафрагм с учетом явления ползучести. Поэтому в научно-исследовательских институтах и лабораториях турбинных заводов разрабатывают уста­ новки для экспериментального определения прочности диафрагм.

На электростанциях систематически наблюдают за ползучестью металла паропроводов, работающих при температурах 450° С и выше. Критерием для оценки скорости ползучести служит увеличение наружного диаметра труб.

На участках паропровода, где необходимо измерить скорость ползучести, к трубам приваривают по концам двух взаимно перпендикулярных диаметров бобышки из жаропрочной стали с шлифованными сферическими поверхностями. Среднюю скорость ползучести оценивают по приращению наружного диаметра трубы за период между двумя (или больше) последовательно осуще­ ствляемыми измерениями.

В связи со сложностью и длительностью испытаний на ползу­ честь предпринимались попытки изменения способов оценки характеристик ползучести косвенными методами—що результатам других, более простых испытаний. Решение такой задачи пред­ ставляется, однако, весьма затруднительным, так как не суще­ ствует зависимости между характеристиками ползучести и проч­ ности при кратковременных испытаниях на растяжение в условиях высоких температур. Не обнаруживается закономерной зависи­ мости и между пределами ползучести, определяемыми при различ­ ных допускаемых остаточных деформациях и скоростях ползучести. Влияние многих факторов (величины зерна, состояния границ зерен, структуры, линейных и точечных несовершенств кристал­ лического строения и пр.), выявляющееся при длительных испы­ таниях на ползучесть, может в значительной степени не сказаться при тех или иных косвенных методах ее оценки.

Предел ползучести является одним из основных критериев при расчетах на прочность деталей турбин, работающих при высоких температурах. С учетом влияния ползучести рассчиты­ вают рабочие лопатки, диски, роторы и другие детали. При выборе запаса прочности по пределу ползучести предварительно опреде­ ляют, допускает ли данная сталь или сплав деформацию, которая ожидается при рабочей температуре за расчетный период эксплуа­ тации.

Ползучесть металлов, применяемых в турбостроении, требует дальнейшего углубленного изучения, особенно в связи с необхо­ димостью увеличения длительности службы работающих при высоких температурах деталей турбин большой мощности.

И С П Ы ТА Н И Я НА Д Л И Т Е Л Ь Н У Ю ПРОЧНОСТЬ

В практике исследований металлов, применяемых в турбост­ роении, испытания на ползучесть в условиях одноосного растяже­ ния дополняют испытаниями на длительную прочность, имеющими

важное значение для оценки работоспособности металлов при высоких температурах. Испытания на ползучесть, осуществляе­ мые в зонах первого и небольшой части второго участка кривой, не дают представления о способности металла к деформации без разрушения. Испытания на длительную прочность позволяют в известной мере восполнить этот пробел. По результатам этих испытаний определяют величину напряжений, могущих вызвать разрушение металла за определенный период времени при данной температуре.

Испытания на длительную прочность проводят обычно следую­ щим образом: образцу испытываемого металла, помещенному в печь с постоянной автоматически регулируемой температурой, сообщают не меняющееся по величине растягивающее усилие. Напряжение металла при испытании выбирают с таким расчетом, чтобы образец разрушился в пределах сравнительно короткого периода испытаний — от нескольких десятков до нескольких тысяч часов. Испытания на длительную прочность проводят на машинах для исследований на ползучесть или на более простых установках подобного типа. Образцы для испытаний — цилин­ дрические, с размерами и формой, выбираемыми в зависимости от конструкции печи и захватов. При испытании определяют зави­ симость между напряжением и временем до разрушения при данной температуре. Чем выше напряжение, тем, при прочих равных условиях, меньше время, требующееся для разрушения образца.

Методика испытания на длительную прочность определена ГОСТом 10145—62. Предел длительной прочности определяют как наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постоянной температуре. Испытания выполняют на цилиндрических образцах 0 5 мм с расчетной дли­ ной I = 25 мм или 0 10 мм и / = 50 или 100 мм; на плоских образ­ цах, толщина которых определяется толщиной проката, а расчет­

ная длина /0 = б.ббі/Го, где F0 — начальная площадь попереч­ ного сечения образца в рабочей его части в мм2. Время нагрева образца до заданной температуры должно быть не более 8 ч, выдержка — не менее 1 ч. Если испытываемый металл имеет стабильную структуру и предназначен для длительных сроков службы, то время нагрева может превышать 8 ч. Предел дли­ тельной прочности определяют на основе испытаний продолжи­ тельностью 1000, 3000, 5000, 10 000 ч.

Зависимость между напряжением и временем до разрушения, устанавливаемая в результате испытаний на длительную проч­ ность, может быть выражена в различной системе координат. В логарифмических координатах эта зависимость выражается линией, близкой к прямой, если в промежутке времени, охвачен­ ном проведенными испытаниями, не изменился характер разруше­ ния металла при данной температуре. Известно, что температура испытания и его длительность обусловливают два вида разруше-

98

ния сталей — внутрикристаллическое и межкристаллическое. Вну­ трикристаллическое разрушение наблюдается при относительно невысоких температурах и небольшом времени до разрушения. С повышением температуры и времени до разрушения увеличи­ вается вероятность получения межкристаллического разрушения. На рис. 41 схематически представлена зависимость времени до разрушения от величины действующего напряжения при различ­ ном характере разрушения.

Неблагоприятные структурные изменения, происходящие с те­ чением времени при свойственных каждой стали температурах, вызывают межкристаллическое разрушение у многих сталей пер­ литного класса при темпе­ ратурах выше450°С, аусте­ нитного— выше 550° С.

А. В. Станюкович на основании обстоятельного экспериментального иссле­ дования, выполненного для большого количества ста­ лей различных марок, при­ меняемых в котло- и тур­ бостроении, установил,что существует приближенная

мают равным 10 100 для перлитных сталей и 8900 для аустенит­ ных сталей.

Предложены параметрические зависимости длительной проч­ ности, позволяющие интерполировать и экстраполировать полу­ чаемые опытные данные для перехода от условий данного испы­ тания к другим напряжениям и температурам. Наибольшее рас­ пространение получила параметрическая зависимость Ларсона —

По данным различных исследований значения константы С оценивают по-разному. Чаще всего для перлитных и аустенитных сталей ее принимают равной 20. В пределах возможного