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

которое позволяет для определенного напряжения, получив экспериментально время до разрушения при заданной темпера­ туре Т X, вычислить его для другой температуры Т 2.

Использование параметрической зависимости Ларсона—Мил­ лера ограничено следующими условиями: структурные изменения в металле при температурах Т г и Т 2 не должны иметь существен­ ных различий; для перлитных сталей эквивалентная темпера­ тура, превышающая заданную, не должна быть близка к крити­ ческой точке Aclt когда в этих сталях может развиваться сфероидизация цементитной составляющей, и т. д. Погрешность расче­ тов с применением указанной параметрической зависимости составляет ±10%, а в отдельных случаях может достигнуть и 30— 40%. Это необходимо учитывать при пользовании графиками пара­ метрической зависимости, которые весьма широко распростра­ нены в отечественной и зарубежной литературе.

Испытания на длительную прочность проводят не только на гладких, но и на надрезанных образцах. Под влиянием продол­ жительного нагружения при высоких температурах надрезанные образцы многих металлов разрушаются значительно раньше, чем гладкие.

Отношение пределов длительной прочности надрезанного и гладкого образцов за данный срок службы п называют коэффи­ циентом прочности в надрезе

к__ °д . п. н

Если Кп < 1, то металл считают чувствительным к надрезу. Если Кп^> 1> то металл считают нечувствительным к надрезу при данной длительности испытания. У металлов, которые нечув­ ствительны к надрезу, кривая длительной прочности надрезанных образцов (на диаграмме, где по оси ординат отложено время до разрушения, а по оси абсцисс — значения длительной прочности) располагается выше кривой длительной прочности гладких об­ разцов. Однако с изменением температуры и длительности испы­ таний соотношение длительной прочности надрезанных и гладких образцов одного и того же металла может измениться. Поэтому для оценки чувствительности металла к надрезу проводят дли­ тельные (до 10 000 ч и более) испытания надрезанных и гладких образцов при различных температурах.

Характеристики длительной прочности металла широко исполь­ зуют при расчетах на прочность деталей паровых турбин, рабо­ тающих при высоких температурах. При этом коэффициент запаса прочности по отношению к пределу длительной прочности обычно принимают равным 1,65 для деформированного металла и 2,0—■ для литой стали.

100

Допускаемые напряжения, как было сказано выше, определяют также и по данным кратковременных испытаний на растяжение и испытаний на ползучесть при соответствующих температурах. Для расчетов выбирают минимальное из значений допускаемых напряжений, определенных по результатам трех видов испытаний металла.

И С П Ы ТА Н И Я НА РЕЛ АК С А ЦИЮ

Многие детали турбин работают в условиях:

длительного воздействия усилий, вызывающих первоначально упругую деформацию деталей;

длительного воздействия высоких температур; неизменной в процессе эксплуатации величины деформации

деталей (вследствие наличия тех или иных внешних ограни­ чений).

При подобном сочетании условий наблюдается падение напря­ жений, первоначально заданных металлу деталей. Это явление самопроизвольного снижения напряжений называют релаксацией. Начальная упругая деформация постепенно уменьшается, одно­ временно возрастает пластическая деформация детали при постоян­ ном значении суммарной деформации в процессе эксплуатации. Релаксация, так же как и ползучесть, характеризуется нарастаю­ щей во времени пластической деформацией детали. Однако в чи­ стом виде релаксация напряжений происходит без изменения начальной деформации детали. Основная зависимость, характе­

е0 — начальная суммарная деформация.

Как показывают результаты исследований, скорость релакса­ ции возрастает с увеличением начального напряжения и темпера­ туры и зависит от химического состава стали, термической обра­ ботки, величины зерна и микроструктуры.

В качестве типичных примеров релаксации могут служить явления, протекающие в болтах фланцевых соединений. Упру­ гий натяг болтов создает необходимую плотность соединения. С течением времени при высоких температурах упругая деформа­ ция материала болтов и шпилек переходит в пластическую и

Вдеталях сочленений, работающих в состоянии посадок, при длительном воздействии высоких температур имеет место релак­ сация, снижающая напряженность посадки.

Вначальный период релаксации напряжение снижается быстро, затем скорость этого снижения уменьшается (рис. 42),

101

ИСП Ы ТА Н И Я НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ П Е Р Е М Е Н Н Ы Х Н А П Р Я Ж Е Н И Я Х

Высокие температуры оказывают большое влияние на прочность металла, работающего в условиях повторно-переменных нагрузок. Примером деталей, работающих в таких условиях, могут служить рабочие лопатки. Для оценки влияния высоких температур на прочность металлов при переменных напряжениях применяют специальные методы исследований. Испытательные машины в этом случае снабжены электрическими печами, в рабочем простран­ стве которых образцы находятся в течение всего процесса испыта­ ния.

Предел выносливости конструкционных сталей и сплавов снижается с повышением температуры тем значительнее, чем длительнее время нагружения. Поэтому характеристики предела выносливости при высоких температурах носят в известной сте­ пени условный характер и зависят от продолжительности испы­ таний, т. е. от количества циклов нагружения и их частоты. База испытаний, принятая при нормальной температуре равной,

Для определения границ «вилки» нагрузок перед испытанием на усталость при высоких температурах желательно иметь ориен­ тировочное представление о величине предела выносливости. Для предварительного приближенного определения этой величины применяют расчетный метод, основанный на использовании резуль­ татов статических испытаний на растяжение. С этой целью были проведены испытания стали 1X13 на растяжение при высоких тем­ пературах до 500° С. На основании результатов этих испытаний был приближенно подсчитан предел выносливости при данной температуре

о_ц = 0,25 (аві 4- oTt) + 5 кгс/мм2,

где ові и art — соответственно пределы прочности и текучести стали при температуре испытания.

Условия испытаний цилиндрических полированных образцов с плавными переходами от рабочей части к головкам, с равномерно распределенными по всей длине рабочей части образца напряже­ ниями от чистого изгиба при постоянной частоте вращения сле­ дует считать весьма благоприятными для получения высоких абсолютных значений предела выносливости. На рабочих лопат­ ках и других деталях турбин, работающих при повышенных тем­ пературах и переменных напряжениях, действительный предел выносливости ниже найденного при испытании образцов. Осо­ бенно существенно снижают предел выносливости концентраторы напряжений: острые кромки, малые переходные радиусы, отвер­ стия под бандажную проволоку, риски на поверхности лопатки и т. д.

103

Испытания на усталость при высоких температурах характе­ ризуются значительным разнообразием машин, на которых иссле­ дуют образцы различных форм и размеров. Представляет инте­ рес созданная в ЦНИИТМАШе установка МВУ-1 для испытаний на усталость при консольном изгибе в процессе колебаний одно­ временно до 40 образцов в условиях температур до 800° С.

Установка представляет собой массивную несущую балку с двумя специальными захватами для образцов на концах. Коле­ бания возбуждаются при помощи электромагнитов. В каждый из захватов можно устанавливать по 20 образцов. Рабочий участок образца — цилиндрический, 0 8 мм. Установка снабжена двумя электрическими печами, в каждую из которых помещают одно­ временно до 20 образцов. Частота перемен нагрузки состав­ ляет 700 Гц. Печи могут работать при одинаковых или различных температурах. Максимальное напряжение в опасном сечении об­ разца равно 60 кгс/мм2.

При высоких температурах с увеличением времени пребыва­ ния под действием напряжений длительная прочность металла снижается более интенсивно, чем предел выносливости, опреде­ ленный при той же продолжительности испытаний. Поэтому если при сравнительно кратковременных испытаниях в условиях значительных напряжений и относительно невысоких темпера­ тур разрушение от усталости металла более вероятно, то при уменьшении величины напряжений, увеличении продолжитель­ ности испытаний и повышении температуры определяющей для работы металла становится длительная прочность, а не предел выносливости.

Каждому сплаву свойственна определенная температура равнопрочности при действии статических и циклических напряже­ ний, т. е. температура, при которой пересекаются кривые зависи­ мости значений предела выносливости и длительной прочности от температуры. В условиях эксплуатации, при которых рабочая температура выше температуры равнопрочности, предел выносли­ вости металла для оценки его надежности представляет, есте­ ственно, значительно меньший интерес, чем длительная прочность.

ИССЛЕДОВАНИЯ склонности к ТЕПЛОВОЙ

ИОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ

Врезультате длительного воздействия высоких температур некоторые стали приобретают хрупкость, которая им в обычных условиях работы при нормальных температурах несвойственна. Если такую сталь после нескольких сот или тысяч часов эксплуа­ тации при температурах 400—600° С подвергнуть испытаниям на ударную вязкость при обычной температуре, то окажется, что удельная работа удара резко снизилась по сравнению с исходной. Это явление, носящее название тепловой хрупкости, в условиях, связанных с наличием ударных нагрузок и концентраций напря-

104

жений, может оказаться весьма опасным. Испытания на растя­ жение сталей, в которых имеет место тепловая хрупкость, не выявляют заметных изменений прочности и пластичности по срав­ нению с прочностью и пластичностью сталей, работающих при ком­ натной температуре. Обычно методы микро- и рентгеноструктур­ ного анализа не обнаруживают изменений и в строении металла.

Ранее предполагали, что явление тепловой хрупкости возни­ кает при одновременном воздействии напряжений и высоких температур в опасном интервале. Позднейшие исследования пока­ зали, что ударная вязкость снижается после длительного пребы­ вания металла при высокой температуре как в напряженном, так и в ненапряженном состоянии. Влияние напрйжений обнару­ живается лишь в том случае, когда они достаточно велики, чтобы вызвать остаточную деформацию металла. Практический интерес представляет то обстоятельство, что тепловая хрупкость одина­ ково обнаруживается как у подготовленных к испытаниям на ударную вязкость образцов, на которых стандартный надрез сделан до выдержки при высоких температурах, так и на образ­ цах с надрезом, выполненным после этой выдержки. Следова­ тельно, можно заключить, что форма изделия не оказывает суще­ ственного влияния на развитие тепловой хрупкости.

Простейшим методом определения склонности металла к тепло­ вой хрупкости является выдерживание его в опасном с этой точки зрения интервале температур, а затем изготовление образцов и испытание их на ударную вязкость. Применяют и более сложные виды испытаний, при которых образец с надрезом, находящийся в напряженном состоянии в течение всего времени действия на него высоких температур, подвергают затем испытанию на удар­ ную вязкость.

Важное значение имеет длительность действия на металл вы­ сокой температуры. Чем больше это время, тем интенсивнее проявляется тепловая хрупкость, тем больше снижается ударная вязкость стали. При этом для каждой температуры, вызывающей тепловую хрупкость, наблюдается характерная для нее продол­ жительность нагрева, при которой хрупкость достигает макси­ мального значения. Дальнейшее увеличение длительности пребы­ вания металла при этой температуре способствует постепенному уменьшению хрупкости. Процесс восстановления ударной вязко­ сти наблюдается для многих хромоникелевых, хромомарганцо­ вистых и других сталей после выдержки в течение 100 ч и более при температурах 500—600° С.

Природа тепловой хрупкости не вполне ясна. Часто ее связы­ вают с тем, что при более или менее длительных выдержках стали в интервале температур, вызывающих хрупкость, снижается прочность границ зерен в местах несовершенства кристалличе­ ской решетки.

Все это относится к явлению тепловой хрупкости в перлит­ ных, мартенситных и других сталях, не принадлежащих

105

к аустенитному классу. В аустенитных сталях также наблюдается развитие тепловой хрупкости, но здесь она проявляется в сниже­ нии не только ударной вязкости, но и относительного удлинения и сжатия, а в ряде случаев и характеристик прочности. Темпера­ турный интервал, в котором развивается тепловая хрупкость, для аустенитных сталей обычно составляет 600—700° С.

В отличие от тепловой хрупкости, развивающейся во время длительного пребывания металла при высокой температуре, отпускная хрупкость наблюдается в некоторых сталях сразу же после отпуска при 500—650° С с медленным охлаждением. Отпуск­ ная хрупкость обнаруживается испытаниями на ударную вяз­ кость. Испытания на растяжение при этом так же, как и в случае тепловой хрупкости, не обнаруживают изменений прочности

иотносительного удлинения; иногда наблюдаются изменения относительного сужения. Твердость остается без изменений. Отпускная хрупкость наблюдается в хромоникелевых, хромистых

имарганцевых сталях. Те же стали, быстро охлажденные после отпуска, хрупкости не обнаруживают. Поэтому для сталей, склонных к отпускной хрупкости, следует после высокого отпуска

применять охлаждение в масле или горячей воде. Охлаждение в печи для таких сталей недопустимо.

После высокого отпуска с быстрым охлаждением проводят повторный отпуск при температуре ниже опасного интервала с последующим медленным охлаждением в печи. Такой повтор­ ный отпуск, способствуя снижению остаточных напряжений, возникающих при быстром охлаждении после высокого отпуска, в то же время не вызывает в стали повышенной хрупкости. Доба­ вление небольшого количества молибдена (0,2—0,5%) является часто для хромоникелевых и других сталей, из числа склонных к отпускной хрупкости, радикальным методом устранения или существенного снижения отпускной хрупкости. Такой же резуль­ тат дает и введение в сталь вольфрама. Тепловая хрупкость про­ является иногда в сталях, не обнаруживающих отпускной хруп­ кости, и в том числе в сталях, содержащих молибден, например хромоникельмолибденовых.

ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФ О РМ АЦИ ОНН ОЙ СПОСОБНОСТИ

В практике эксплуатации паровых турбин известны случаи аварийных повреждений лопаток, дисков, шпилек и болтов, для которых характерно отчетливо выраженное хрупкое разрушение

ков исполнения создаются условия для концентрации напряже­ ний. Проблемы хрупкого разрушения металлов представляют зна­ чительный теоретический и практический интерес.

До недавнего времени явления хрупкости изучали главным образом применительно к пониженным температурам, при которых

106

Пластичность и вязкость многих металлов снижаются. В некото­ ром критическом интервале температур, различном для сталей разного состава и термической обработки, металл переходит из вязкого в хрупкое состояние. Температуру этого перехода называют критической температурой хрупкости или порогом хладноломкости. Установлено, что уровень порога хладнолом­ кости зависит от вида напряженного состояния, скорости дефор­ мации, формы и размеров изделия и пр. Способность металла к де­ формированию без разрушения уменьшается при концентрации напряжений у острых кромок, отверстий и др.

В процессе длительного нагружения в условиях ползучести при высоких температурах и развивающемся в металле межкри­

вается хрупкость. Хрупкие разрушения металлов при высоких температурах изучены недостаточно.

Основные факторы, определяющие склонность металла к хруп­ кому разрушению при хладноломкости, как показывают иссле­ дования, имеют определяющее значение и в условиях длительного воздействия высоких температур. Однако они дополняются и дру­ гими важными факторами, обусловленными увеличением подвиж­ ности атомов в кристаллической решетке, активизацией диффу­ зионных процессов, более интенсивным течением процессов ста­ рения и другими явлениями, имеющими место при длительном воздействии высоких температур на нагруженный металл.

Практически все известные жаропрочные металлы и сплавы на железной и никелевой основах в условиях длительной работы при температурах выше 450—500° С в той или иной мере проя­ вляют склонность к хрупким разрушениям. При таких темпера­ турах указанные металлы и сплавы под действием нагрузок претерпевают пластическую деформацию ползучести; необходимо изучать их деформационную способность при высоких темпера­ турах.

Анализ данных испытаний на длительную прочность свиде­ тельствует о том, что при температурах выше 450° С деформация с увеличением времени до разрушения для многих металлов снижается до 1—4%, а в некоторых случаях до долей процента.

Для условий работы при обычных температурах и линейном напряженном состоянии деформационную способность металла оценивают по относительному удлинению, а при наличии концен­ траторов напряжений — по результатам испытаний на ударную вязкость образцов с надрезом. Для условий длительной работы металла при высоких температурах твердо обоснованные методы оценки деформационной способности отсутствуют.

А. В. Станюкович предложил использовать в этих целях данные испытаний на длительную прочность при постоянных скоростях деформации. Серию образцов из исследуемого металла 0 8 мм и длиной рабочей части 40 мм подвергают испытаниям на растяжение

107

с заданной скоростью деформации при различных температу­ рах в интервале 400° С через каждые 50— 100° С. В качестве ми­ нимальной температуры этого интервала обычно выбирают 400— 500° С. Диапазон скоростей деформации широкий. Испытания проводят на разрывных или универсальных машинах относительно

небольшой разрывной силы (4—12 тс) или на специальных маши­ нах, созданных для таких испытаний в ЦКТИ им. И. И. Ползу­ нова, Физико-техническом институте АН УССР и др.

По результатам этих испытаний строят зависимости относи­ тельного удлинения при растяжении от скорости деформации для различных температур. На рис. 43, по данным А. В. Станюковича, представлены такие кривые для стали аустенитного класса ХН35ВТ (ЭИ612), применяемой при изготовлении деталей турбин,

108

работающих при высоких температурах. Точка пересечения касательной к правой ветви Ѵ-образных кривых относительного удлинения с осью абсцисс характеризует температуру минималь­ ной пластичности исследованного металла ■— в данном случае около 580° С.

ИССЛЕДОВАНИЯ С Ф ЕРО И Д И ЗА Ц И И , И ЗМ ЕН ЕН И Я ФАЗОВОГО СОСТАВА И ГРАФ И ТИ ЗА Ц И И

ПРИ Д Л И Т Е Л Ь Н О М ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКИХ ТЕМ ПЕРАТУ Р

Структура стали, устойчивая при комнатной температуре, претерпевает значительные изменения в условиях длительного пребывания при высоких температурах. В сталях с феррито­ перлитной структурой и пластинчатым перлитом наблюдается в этих условиях постепенное изменение формы цементитных кристаллов и их рост. Кристаллы цементита теряют пластинчатую форму, постепенно превращаясь в округлые частицы — сфе­ роиды. Сфероидизация может начаться с 470—500° С, т. е. при рабочих температурах металла в установках высокого давления. Зависимость времени, требуемого для достижения определенной степени сфероидизации, от температуры выражается эмпирической формулой

t = А е т ,

где і — время в ч; Т — абсолютная температура; А и b — кон­ станты, зависящие от химического состава стали, ее исходной структуры, величины зерна и строения перлита.

Экспериментально установлено, что крупнозернистые стали сфероидизируются со значительно меньшей скоростью, чем стали мелкозернистые (имеется в виду действительный размер зерна). Отожженные стали сфероидизируются с меньшей скоростью, чем нормализованные; здесь оказывает влияние строение перлитной составляющей. Чем грубее это строение, чем крупнее пластинки цементита, тем устойчивее их форма в условиях длительного воз­ действия высоких температур. Измельчение цементита в процессе термической обработки стали ведет к понижению устойчивости перлита против сфероидизации.

Ускоряющим сфероидизацию фактором является предшествую­ щая пластическая деформация. Ее влияние значительно превы­ шает влияние указанных структурных факторов. Чем больше степень деформации, тем больше скорость сфероидизации. Под влиянием деформации скорость сфероидизации может возрасти в несколько раз. Установлено также ускоряющее влияние оста­ точных напряжений, возникающих в стали при термической обра­ ботке. Можно предполагать, что рабочие напряжения в металле действуют также ускоряющим образом.

109