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

Следует отметить, что относительное удлинение не является достаточно чувствительной характеристикой пластичности испы­ тываемого металла. Во многих технических условиях на металлы и полуфабрикаты, используемые в турбостроении, показатель относительного удлинения фигурирует лишь как факультативная характеристика.

Между тем правильное представление о пластичности металла, предназначаемого для ответственных деталей турбин, необходимо для оценки его пригодности не в меньшей мере, чем знание ха­ рактеристик прочности. Пластичность имеет важное значение при оценке возможного поведения металла в условиях неизбеж­ ных местных перенапряжений, концентрации напряжений и т. д. Будет ли металл способен рассредоточить, рассеять местное пере­ напряжение при некоторой практически безвредной пластической деформации, или это перенапряжение приведет к образованию трещины, ң разрушению детали — вот главный практический вопрос.

Более эффективным для оценки пластичности по сравнению с относительным удлинением является относительное сужение поперечного сечения образца при растяжении.

Относительное сужение после разрыва (ф в %) определяют как отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в наименьшем сечении шейки при разрыве к начальной площади

Величина относительного сужения характеризует наибольшую пластичность металла в условиях напряженного состояния в шейке. Она является столь же показательной для оценки пластичности металла, как и удлинение, которое характеризовало бы деформа­ цию у места разрыва, давая, таким образом, представление о мак­ симальных пластических свойствах металлов. Однако относи­ тельное удлинение при растяжении, определяемое обычными ме­ тодами, представляя собой сумму равномерной и сосредоточен­ ной деформации, не позволяет правильно судить о наибольшей пластичности металла. Преимущества, которые в этом смысле дает относительное сужение, позволяют считать его более суще­ ственной и надежной, чем относительное удлинение, характе­ ристикой пластичности металла.

Однако относительное сужение определить труднее, чем отно­ сительное удлинение, и результаты получаются менее точными. Часто сечение в месте разрыва представляет собой скорее овал, чем круг, абсолютная величина измеряемого диаметра сравни­ тельно мала, при значительном относительном сжатии этот диа­ метр может составлять 3—4 мм и менее (для обычного образца, имевшего начальный диаметр 10 мм). Эта величина будет еще меньше, если приходится использовать небольшие образцы, на-

20

пример диаметром 6 мм. Диаметр шейки измеряют штангенцир­ кулем на сложенных половинках разрушенного образца, поэтому ошибка при определении относительного сужения оказывается весьма значительной и обычно бывает большей, чем при определе­ нии относительного удлинения.

На образцах прямоугольного сечения в большинстве случаев вообще не представляется возможным определить относительное сужение, так как форма сечения при испытании на растяжение искажается.

Рассматривая характеристики, полученные при испытании на растяжение, убеждаемся, что они не дают достаточно полного

и обозначают SK в кгс/мм2. Величина SK обычно превышает <тв и тем больше, чем пластичнее испытываемый металл. Аналогич­ ным образом определяют истинный предел текучести. В практике контроля металлов, используемых в турбостроении, истинные характеристики прочности обычно не определяют.

Для исследования отдельных проблем, возникающих при про­ изводстве и эксплуатации турбин, используют метод микромеханических испытаний металлов на образцах малых сечений и раз­ меров. Этот метод позволяет изучать механические свойства ме­ таллов в сварных соединениях, в околошовных зонах, на участках поверхностной и химико-термической обработки и т. д. Рабочие диаметры образцов для микромеханических испытаний обычно составляют 0,8—2 мм. Формы и размеры таких образцов показаны на рис. 7. Испытания их проводят на особо точных машинах спе­ циальной конструкции.

Существенное значение имеет способ отбора проб для испыта­ ний механических свойств металлов. Пробы для таклх испытаний отбирают с учетом характера, величины и направления усилий, которые будут действовать на изделие в процессе эксплуатации, а также технологического процесса производства металлической

21

заготовки и связанной с этим неоднородности ее свойств в раз­ личных местах и направлениях.

Практический интерес представляет изыскание методов опре­ деления характеристик прочности и пластичности металлов (сгв, ат, б и ф) косвенным образом, без изготовления и испытаний образ­ цов. Исследователи, занятые этим вопросом, предложили раз­ личные методы косвенного определения указанных характе­ ристик.

Наиболее простым методом является ориентировочное опреде­ ление ав по твердости (по Бринеллю). Зависимость между этими величинами обычно выражают фор­

мулой

Н. Н. Давиденков и М. П. Марковец предложили определять значение предела прочности по формуле

сгв = 0,32HL — 16 кгс/мм2,

где HL — твердость, определяемая вдавливанием конуса, имею­ щего угол при вершине, равный 90°.

Значения предела прочности, определенные по такой формуле, оказались точнее, чем вычисленные по формуле, связывающей ав с твердостью по Бринеллю.

Предел текучести было предложено косвенно определять по радиусу а0 деформированного участка металла («наплыва»), коль­ цеобразно окружающего отпечаток от вдавливания в испытывае­ мый образец конуса с углом при вершине 90°. Предел текучести сгт определяют по формуле ат = р/(яаg), где Р — нагрузка в кгс,

под действием которой происходит вдавливание конуса. Описанный метод был проверен на сталях многих марок.

При этом были получены вполне удовлетворительные результаты: средняя погрешность при определении ат не превышала 4%.

22

Диаметр наплыва (2 а0) определяли после сошлифовывания на­ плыва наждачной бумагой по остающемуся на образце следу.

В результате дальнейших исследований было установлено, что вместо специального конуса с углом при вершине 90° может быть применен обычный алмазный конус прибора Роквелла с углом при вершине 120° С. Кроме того, диаметр наплыва можно опреде­ лять при помощи микроскопа с небольшим увеличением (в про­ веденном исследовании использовалось 32-кратное увеличение), снабженного окуляром с прозрачной шкалой.

Для косвенного определения относительного удлинения б предложен следующий метод: измеряют диаметр d отпечатка и диаметр 2а0 наплыва при вдавливании в испытываемый образец шарика диаметром 5 мм под нагрузкой 750 кгс; б10 определяют

На значительном экспериментальном материале был разра­ ботан и проверен способ косвенного определения относительного сужения по формуле

твердость методом царапины (наносимой алмазным конусом при­ бора Роквелла под нагрузкой 8 кгс на полированную пластину испытываемого металла с плоскопараллельными поверхностями); SL— истинное напряжение, соответствующее 15,2% напряжения относительного сжатия и равное 0,32 HL\ HL — твердость, опре­ деляемая при вдавливании конуса с углом при вершине 90°.

М. П. Марковец и В. Г. Борисов предложили уточнить метод косвенного определения ф, внеся поправки в зависимость b (SK), учитывающие то обстоятельство, что царапина образуется в ре­ зультате одновременного выдавливания и среза испытываемого металла.

В турбостроении методы косвенного определения механических свойств могут иметь практическое значение, особенно для анализа повреждений, главным образом при контроле сталей, из которых изготовляют лопатки, паропроводы и другие детали.

Косвенные методы определения прочностных характеристик металла применяют на тепловых электростанциях. Эту работу систематически проводят лаборатории металлов ряда районных

23

энергоуправлений. Московским энергетическим институтом раз­ работан метод косвенного определения предела прочности и пре­ дела текучести при помощи переносного прибора непосредственно на роторах, валах, трубах паропроводов и других деталях.

Применительно к высокохромистым сталям 1X13 и 2X13, широко используемым для изготовления лопаток турбин, автором, совместно с Б. П. Захаровым и Ю. В. Козловой, проведено иссле­ дование, позволившее рекомендовать весьма простые методы опре­ деления механических свойств без испыта­

на приборе Роквелла стандартный алмазный конус под нагрузкой

пом, имеющим окуляр с прозрачной шкалой.

Зависимость ат (1Id), полученная по первой формуле, приведена на рис. 9. Средняя ошибка определения от по указанным формулам составляет 1—2%.

б) Предел прочности можно определить, вдавливая на приборе Роквелла в испытываемый металл под нагрузкой 150 кгс алмазный конус. По шкале В (а не С, как обычно делают при определении твердости вдавливанием алмазного конуса) определяют величину условной твердости, обозначаемой RB 120°. В результате исследо­

24

вания была получена (рис. 10) зависимость между значениями условной твердости RB 120° и величинами предела прочности а„. При определении ав таким методом средняя ошибка составила 1,1 %.

в) Относительное удлинение можно получать, вычисляя отно шения (Ріа и по кривой (рис. 11), определяя б5 для испытываемого металла. Средняя ошибка в этом случае составляет 1,1%.

<?0,хгс/ммг

Пользуясь приведенными зависимостями, можно, сделав один отпечаток алмазным конусом на приборе Роквелла, определить прочность и пластичность сталей 1X13 и 2X13.

Предложенный метод был успешно применен на одном из турбо­ строительных заводов для определения пригодности большой партии (несколько тысяч штук) окончательно изготовленных ло­ паток турбин. После проверки их механических свойств указан­ ными косвенными методами лопатки были установлены в турбины, где надежно работали.

Испытания на ударную вязкость. Одним из важнейших требо­ ваний, предъявляемых к металлам, используемым в турбостроении, является требование достаточной вязкости, исключающей воз­ можность разрушения детали без предшествующей значительной

25

пластической деформации. Нередки случаи, когда сталь обнару­ живает достаточную вязкость при статическом приложении на­ грузки и склонность к хрупкому разрушению при динамическом нагружении вследствие наличия концентраторов напряжений и других факторов. Поэтому, выбирая или контролируя металлы для ответственных деталей турбин, необходимо иметь представление о вязкости металла при больших скоростях деформации в условиях ударного нагружения. Это особенно важно для деталей роторной группы, которые в процессе эксплуатации могут подвергаться

воздействию резко возрастающих на­ грузок.

В промышленности широко при­ меняют испытания на ударную вяз-

\кость, которые позволяют оценить способность металла противостоять

«Щ1 КЩ1

кость является более чувствительной характеристикой, чем характеристики статических свойств, определяемые при растяже­ нии. Ударная вязкость существенно изменяется в зависимости от структурного состояния стали, величины ее зерна, степени раскисленности и загрязненности посторонними примесями. Поэтому результаты испытаний на ударную вязкость полезны для оценки правильности технологического процесса производ­ ства стали и ее термической обработки.

Недостатком испытаний на ударную вязкость является невоз­ можность определения напряжения металла и получения харак­ теристик, которые могли бы быть использованы как расчетные. Поэтому мерилом вязкости металла при динамическом нагружении и критерием его сопротивляемости удару является работа, затра­ чиваемая на разрушение образца.

Наибольшее применение нашли испытания на ударную вяз­ кость образцов с надрезом, осуществляемые на копрах маятнико­ вого типа. На рис. 12 представлена схема испытания, а на

26

рис. 13 — форма и размеры одного из наиболее часто применяемых для таких испытаний образцов. Надрез образца создает объемное и неравномерно напряженное состояние металла, затрудняет раз­ витие пластической деформации и является эффективным сред­ ством получения хрупкого разрушения. Характеристикой удар­ ной вязкости служит удельная работа удара ап (в кгсм/см2) или отношение работы А п (в кгсм), затраченной на разрушение образца, к первоначальной площади F (в см2) поперечного сече­ ния образца в месте надреза:

Работа удара к площади поперечного сечения образца в месте надреза отнесена условно, так как удар маятника воспринимается определенным объемом образца вокруг надреза. Величина той части объема образца, которая претерпела деформацию, тем зна­ чительнее, чем более способен металл к рассредоточению пласти­ ческой деформации. Поэтому следовало бы относить работу дина­ мического разрушения к единице деформированного объема. Однако определить величину деформированного объема весьма сложно, и при испытаниях на ударную вязкость этого не делают.

Результаты испытаний на ударную вязкость при надрезе образ­ цов не подчиняются закону подобия. Надежное сравнение этих результатов возможно только в случае использования образцов одинаковой формы и размеров. Образцы для испытаний необхо­ димо изготовлять очень тщательно. Особое внимание должно быть уделено выполнению надреза.

Образцы для испытаний на ударную вязкость металлов и за­ готовок отбирают, как правило, из тех жё участков, что и для испытаний на растяжение. Величину допускаемой минимальной ударной вязкости нельзя определить расчетом. Ее устанавливают для каждой марки стали на основе опытных данных и результатов исследований, в которых характеристики ударной вязкости опре­ деляют для различных вариантов термической обработки, а затем увязывают с другими показателями механических свойств стали при нормальной и при высоких температурах.

Оценивая результаты испытаний на ударную вязкость, сле­ дует обращать внимание не только на величину работы удара, но и на вид излома разрушенного образца. При высокой ударной вязкости излом очень мелкозернистый, матовый, серого цвета; форма его поверхности неправильная, есть участки, как бы выр­ ванные из другой половины образца. При низкой ударной вяз­ кости излом крупнозернистый, блестящий (частично или по всему сечению образца), форма поверхности плоская, как будто образец при испытании подвергали не изгибу, а срезу. Признаков пласти­ ческой деформации материала в этом случае не наблюдается.

27

Особое место занимают испытания на ударную вязкость при исследовании склонности металлов к старению. Снижение удар­ ной вязкости является одним из основных показателей старения. Склонность стали к старению оценивают, сравнивая результаты испытаний на ударную вязкость образцов в исходном состоянии и после искусственного старения.

Испытания на ударную вязкость применяют для оценки ка­ чества сварочных электродов, а также сварных швов. При этом

ный разрыв. Для этого применяют цилиндрические образцы с на­ резанными головками. Одну головку ввинчивают в отверстие на задней грани диска маятника. На другую головку навинчивают поперечину. При опускании маятника поперечина ударяется об упоры стойки копра, и образец разрывается. Этот вид испытания не нашел широкого применения; однако его можно использо­ вать в отдельных затруднительных случаях, когда приходится сталкиваться с местными дефектами металла, степень опас­ ности которых в условиях динамических нагрузок недостаточно ясна.

Проверить влияние местных дефектов, располагающихся в объеме металла без отчетливых закономерностей, на обычных образцах не представляется возможным, поскольку нельзя изго­ товить образцы так, чтобы иметь уверенность в том, что изучае­ мый дефект попадает в деформируемую зону и притом примерно одинаковым образом в нескольких образцах. При испытании же на ударный разрыв образец обычно разрушается по месту рас­

28

положения дефекта. В этом случае важно только, чтобы исследуе­ мые дефекты металла попали в рабочую часть образца.

Испытания на изгиб. В турбостроении осуществляют испыта­ ние стальных образцов на изгиб (складывание) в холодном со­ стоянии вокруг цилиндрической оправки и чугунных образцов на изгиб до разрушения.

Испытания на изгиб (складывание) включены в технические условия на материалы для ответственных деталей турбин. Обычно этому виду испытаний подвергают образцы сечением 10x20 мм и длиной 160—200 мм. Грани образца до испытания необходимо скруглить по небольшому радиусу. Образец укладывают на две цилиндрические опоры, установленные на подвижной плите уни­ версальной или специальной машины для испытаний металлов на изгиб. В неподвижной плите устанавливают цилиндрический пуансон, ось которого должна быть перпендикулярна продольной оси образца. Подвижную плиту приводят в поступательное дви­ жение, и образец прижимается к пуансону, а затем медленно изги­ бается вокруг него до заданного соответствующими ГОСТами или техническими условиями угла. При этом до конца испытания на образце не должно быть обнаружено никаких признаков разру­ шения: надрывов, трещин, расслоений и пр.

Испытание тем тяжелее для металла, чем меньше радиус пуан­ сона и больше заданный угол изгиба. Радиус пуансона часто вы­ бирают равным толщине образца, в других случаях — двойной толщине. Угол изгиба задают по техническим условиям от 90 до 180° (до параллельности сторон). В отдельных случаях изгиб можно проводить вплотную, до соприкосновения сторон образца. Этот вид испытания наиболее тяжелый; техническими условиями на металлы, используемые в турбостроении, такое ужесточение испытаний на изгиб не предусмотрено и его осуществляют только в отдельных случаях.

Техническими условиями на поковки валов, цельнокованых роторов и дисков турбин предусмотрены испытания на изгиб образ­ цов с размерами 10x20x160 мм; ребра образца должны быть скруглены радиусом около 1 мм. При испытании образец сопри­ касается с оправкой своей широкой стороной. Диаметр пуансона или оправки, вокруг которой изгибают образец, равен 40 мм. Задаваемые техническими условиями значения угла изгиба для валов, роторов и дисков из различных сталей составляют 120— 180°. Испытания проводят на продольных образцах, вырезанных из припусков на концах вала или ротора на расстоянии от поверх­ ности, равном не менее 1/3 радиуса поковки в этом месте. Для испы­ таний на изгиб металла дисков образцы вырезают в тангенциаль­ ном направлении из втулки, а при дисках больших диаметров — также и из обода.

Испытаниям на изгиб подвергают и образцы стыковых свар­ ных соединений. Шов располагают по середине длины образцов. Перед испытанием необходимо травлением выявить расположение

29