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

шва и при установке образца на опоры обеспечить совпадение вертикальных осей шва и пуансона, вокруг которого будут изги­ бать образец. При испытаниях на изгиб нагрузка должна воз­ растать медленно и плавно.

Чугун на изгиб испытывают на цилиндрических образцах диа­ метром 30 мм и длиной 340 или 680 мм. Расстояние между опорами соответственно равно 300 или 600 мм. В практике испытаний чу­ гунного литья в турбостроении обычно применяют образцы дли­ ной 340 мм. Образцы для испытаний изготовляют отливкой. Основной целью испытаний является определение максимальной стрелы прогиба образца по показаниям стрелки, связанной с по­ движной плитой испытательной машины и перемещающейся по миллиметровой шкале, укрепленной на одной из колонн машины, или при помощи прогибомера.

Определение твердости. К числу наиболее широко распростра­ ненных методов контроля и исследования металлов относят опре­ деление твердости. Достоинствами этого метода являются воз­ можность его выполнения на очень небольшом участке металла непосредственно на заготовках или деталях без их разрушения и порчи, быстрота исполнения и относительная простота. Раз­ личные виды испытаний по определению твердости в турбострое­ нии осуществляют на складах металлов, в цехах и лабора­

ториях.

Большинство существующих методов определения твердости основано на принципе вдавливания в испытываемый металл тела шаровой, конусной или пирамидальной формы, имеющего высокую твердость. Размеры вдавливаемых тел-наконечников различны в зависимости от метода испытаний. Учитывая ожидаемую твер­ дость испытываемого металла, применяют стальные шарики или алмазные конусы и пирамиды. Форма, размеры и металл вдавли­ ваемых наконечников для каждого из существующих методов кон­ троля твердости стандартизованы.

Твердость в условиях подобного рода испытаний характери­ зуется как свойство металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела определенной формы и разме­ ров, не изменяющихся в процессе испытания.

Твердость по Бринеллю, обозначаемая НВ (в кгс/мм2), пред­ ставляет собой условное напряжение вдавливания шарика диа­ метром D, получаемое из отношения направленной перпендику­ лярно к испытываемой поверхности силы вдавливания Р (в кгс) к площади F (в мм2) сферической поверхности отпечатка шарика;

Так как

30

твердость

яD ( D — V D- — dä) ’

где d — диаметр отпечатка.

Правильность выбора нагрузки, с которой вдавливают шарик для испытаний по Бринеллю, контролируют по условию

0,2D < d < 0,6D.

Если отпечаток оказывается меньше 0,2D, то необходимо уве­ личить силу Р\ при d > 0,6D следует уменьшить нагрузку.

Для определения твердости применяют стальные шарики диа­ метром 10; 5 и 2,5 мм. Диаметр шарика, величину нагрузки и время ‘выдержки шарика под нагрузкой выбирают по табл. 3.

3. Основные условия, необходимые для определения твердости по Бринеллю

Широко применяют определение твердости по Роквеллу вдав­ ливанием наконечника стандартного типа (алмазного конуса или стального шарика) под действием двух последовательно прила­ гаемых нагрузок: предварительной Р 0 и общей Р, которая равна сумме предварительной Р 0 и основной Р г нагрузок. За единицу твердости принимают условную величину, соответствующую осе­ вому перемещению наконечника на 0,002 мм.

31

Твердость определяют обычно по трем шкалам— А, В и С. Виды наконечников, величины предварительной и основной на­ грузок и формула, по которой определяют значение твердости по Роквеллу для каждой из трех шкал, приведены в табл. 4.

4. Основные условия, необходимые для определения твердости по Роквеллу

Шкалы твердости

Наименование

* — глубина внедрения наконечника под действием предварительной на­ грузки Р0; h — глубина внедрения наконечника под действием общей нагрузки Р .

Для мягких металлов — литых алюминиевых и магниевых сплавов, отожженных бронз, имеющих твердость по Бринеллю НВ 30—60, для изделий малой толщины из мягких металлов, для слоев высокой твердости и малой толщины, а также в других случаях, когда по тем или иным причинам стандартизованные шкалы А, В и С не могут быть применены, пользуются другими шкалами с различными вариантами общей нагрузки (15, 30 или 45 кгс) на алмазный конус (шкалы соответственно: 15-JV; 30-УѴ; 45-JV) или на шариковый наконечник (шкалы 15-Т; 30-Т; 45-Т). Применяют также шарики различных диаметров (до 12,7 мм) при нагрузках от 60 до 150 кгс (шкалы е, F, g, Н и др.).

В приборах типа Супер-Роквелл для определения твердости по этим шкалам предварительная нагрузка составляет 3 кгс.

Некоторые ответственные детали турбин, например штоки и втулки регулирующих устройств, сопловые лопатки подвергают поверхностной химико-термической обработке (азотированию), создающей тонкий поверхностный слой высокой твердости.

Для испытаний твердости азотированных и цементированных тонких наружных слоев на деталях, образцов и изделий малых

32

сечений, а также очень твердых металлов применяют метод вдав­ ливания в испытываемый металл алмазной пирамиды. Измерение твердости алмазной пирамидой (по Виккерсу) относится к числу наиболее совершенных в практике машиностроительного про­ изводства методов оценки твердости металлов. Правильную четы­ рехгранную алмазную пирамиду с квадратным основанием и углом между противоположными гранями а = 136° ± 30' вдавли­ вают в поверхность испытываемого образца или изделия так, чтобы ось пирамиды была перпендикулярна поверхности образца. ГОСТ 2999—59 предусматривает следующие величины силы Р, под действием которой пирамида внедряется в испытываемый образец или изделие: 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 50,0 и 100,0 кгс. Про­

где Р — нагрузка, действующая на пирамиду, в кгс; F — поверх­ ность отпечатка пирамиды в мм2.

Площадь поверхности

где d — диагональ отпечатка; а — угол при вершине между про­ тивоположными гранями алмазной пирамиды.

Тогда твердость

Величину d определяют как среднюю двух диагоналей отпе­ чатка пирамиды. Диагонали измеряют при помощи микроскопа. По величине d, пользуясь соответствующими таблицами, опреде­ ляют значение НѴ. При испытаниях следует обращать внимание на вид отпечатка. Например, если азотированный слой обладает значительной хрупкостью, то отпечаток будет иметь рваные края.

Угол а пирамиды выбран так, что в весьма широкой зоне твер­ дости — до НВ 400 имеет место близкое совпадение значений НВ к НѴ. При более высокой твердости НѴ > НВ. Глубина проникно­ вения пирамиды в металл очень невелика и примерно равна l/7d. Это позволяет испытывать образцы весьма малой толщины — до 0,3 мм.

Расстояние между центрами двух соединений отпечатков или от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d при испытании стали и 5d при испытании цветных металлов. Толщина образца должна быть не менее l,5d. Нагрузку при испы­ тании можно выбирать, руководствуясь табл. 5.

5. Рекомендуемая нагрузка для определения твердости по Виккерсу

Сопоставление значений твердости, полученных различными методами, дано в табл. 6.

Для приближенного определения твердости в цехах и на скла­ дах применяют динамическое испытание методом двойного отпе­ чатка, называемое пробой по Польди. По бойку прибора, устанав­ ливаемого перпендикулярно поверхности испытываемого металла, ударяют один раз молотком. В результате удара образуются отпе­ чатки шарика одновременно на испытываемой поверхности и на эталоне.

Твердость эталона, численное значение которой известно за­

о - У о 2- а 2эт

НВ = я эт

D — У D'2— d 2

или, приближенно,

HB = H3r~ ß

Испытание по Польди по многим причинам дает недостаточно точные результаты; так, например, в его основу положено допу­ щение, что отношение твердостей эталона и образца при вдавлива­ нии шарика под действием статической нагрузки справедливо и для случая вдавливания его ударом, хотя такое допущение не всегда правильно. Тем не менее прибором Польди ввиду его портатив­ ности и несложности в обращении продолжают пользоваться на производстве.

34

6. Сопоставление значений твердости, полученных различными методами

Продолжение табл. 6

М. С. Дрозд предложил новое понятие пластической твердости, которое в отличие от твердости по Бринеллю представляет собой не условное напряжение на поверхности отпечатка, а модуль упроч­ нения металла при вдавливании в него сферического пуансона. Это понятие основало на линейной зависимости глубины упруго восстанавливающегося после снятия нагрузки отпечатка пуансона на испытываемом изделии от силы, с которой вдавливают пуансон.

Пластическая твердость (в кгс/мм2), определяемая методом двукратного вдавливания шарика диаметром D (в мм) в испыты­ ваемое изделие под действием различных нагрузок Р и P lt

н — Р

d nD(h — ’

36

где h и h ! — глубины восстанавливающихся отпечатков после снятия нагрузок соответственно Р и Р г.

М. С. Дрозд предложил также упрощенное определение Hd при однократном вдавливании шарика и разработал номограммы, позволяющие оценить значение Hd, не прибегая к вычислениям. Кроме того, он исследовал зависимость твердости Hd от механи­ ческих свойств стали, определяемых при кратковременном раз­ рыве. Эти работы нашли применение, в частности, на паротурбин­ ных электростанциях.

Для ответственных деталей турбин твердость не относится к числу характеристик, оговариваемых при сдаче деталей. Тем не менее испытания твердости и анализ их результатов имеют важное значение для оценки однородности металла заготовок и качества выполнения их термической обработки. Если испыта­ ниями будет выявлена недостаточная однородность металла, то заготовку подвергают повторной термической обработке или при­ нимают другие необходимые меры.

Для многих поковок и штамповок общего назначения из угле­ родистых сталей, применяемых в турбостроении, твердость яв­ ляется единственной характеристикой, оговариваемой при сдаче деталей. Сюда относятся поковки шайб, кронштейнов, рычагов, штанг, шпонок, крышек, колонок клапанов и т. д.

Все описанные методы определения твердости позволяют оце­ нить ее средние значения в пределах более или менее значительных объемов (макрообъемов) металла. При изучении твердости отдель­ ных структурных составляющих, гальванических покрытий, це­ ментированного слоя, изменений в тонких поверхностных слоях металлов определяют твердость микрообъемов металла — его микротвердость. Для этого в испытываемый металл под неболь­ шой нагрузкой вдавливают алмазную пирамиду с квадратным, реже ромбическим или треугольным основанием. Углы между противоположными гранями пирамиды с квадратным основанием равны 136°, а с ромбическим 130° и 172° 30'. Для трехгранной пирамиды угол между гранью и высотой составляет 65°. Сила, действующая на вдавливаемый наконечник, может составлять от 2 до 200 гс. Число твердости, как и при определении макро­ твердости алмазной пирамидой, представляет собой частное от деления действующей силы на площадь поверхности отпечатка. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть > 2 d, а толщина образца ^ 1 ,5 d (d — длина диагонали отпечатка в мкм). При определении твердости составляющих микрострук­ туры образца краем образца считают границу зерна. Место для отпечатка и измерения его диагонали выбирают под микроскопом с 135—500-кратным увеличением. Методы испытания металлов на микротвердость стандартизованы ГОСТом 9450—60, который предусматривает измерение твердости металлических изделий, сплавов, их структурных составляющих, металлических покры­ тий методом вдавливания алмазной пирамиды с квадратным осно­

37

ванием и углом а между противоположными гранями при вершине, равным 136°. Твердость, как и при испытаниях по Виккерсу, определяют по формуле

/ / = 1 , 8 5 4 4 сг ,

где Р — нагрузка на вдавливаемую пирамиду; d — диагональ отпечатка пирамиды.

При испытаниях выбирают одну из следующих нагрузок: Р = 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 кгс. При выборе нагрузки исходят из того, что длина диагонали отпечатка не должна пре­ вышать 1,5 толщины образца или исследуемого поверхностного слоя.

Испытания на микротвердость можно проводить на изделиях и образцах толщиной ^ 6 мкм, высотой и шириной 8 мкм.

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Металлографический анализ представляет собой очень важное средство для изучения состояния металлов и оценки их поведения в условиях эксплуатации. В турбостроении широко применяют макроскопические и микроскопические исследования металлов.

Макроскопические исследования выполняют при небольших увеличениях (10—30-кратных) или без увеличения, невооружен­ ным глазом, непосредственно на деталях, заготовках или на от­ резанных от них пробах. Этот вид исследования применяют для установления неоднородности строения металла, выявления раз­ личных дефектов (трещин, раковин, пористости, загрязнения не­ металлическими включениями, волосовин, флокенов и т. д.), определения глубины азотированного, цементированного или за­ каленного слоя. Макроисследованию подвергают изломы образ­ цов металла турбинных дисков, цельнокованых роторов и дру­ гих ответственных деталей, прошедших испытания на разрыв, удар и изгиб. Излом образца должен быть однородным и мелко­ кристаллическим. Осмотр изломов следует дополнять общим осмо­ тром рабочего участка образца, так как на нем иногда можно обна­ ружить надрывы и мелкие трещины, образующиеся в процессе испытаний.

Важное значение имеет макроисследование поверхностей ответ­ ственных деталей, предварительно подвергнутых травлению раз­ личными кислотами (чаще всего 10%-ным раствором азотной кис­ лоты), Травлению подвергают шейки и торцовые поверхности валов и роторов, поверхности втулочных отверстий дисков, заго­ товки лопаток и пр., а также все места заготовок, на которых при обработке или внешнем осмотре были обнаружены подозритель­ ные участки, имеющие те или иные признаки нарушения сплош­ ности металла.

38

До макротравления исследуемые поверхности необходимо тща­ тельно осмотреть. Если имеются трещины, раковины и пористости, то тонкой иглой, проволокой или щупом надо определить их глу­ бину, измерить протяженность, проверить при помощи лупы чи­ стоту дна и стенок, а также попытаться установить время их появ­ ления (до или после термической обработки) и т. д. Макротравле­ нием можно выявить мелкие дефекты, невидимые до травления.

Для выявления на поковках флокенов рекомендуется двой­ ное травление: 15%-ным водным раствором персульфата аммо­ ния, а затем 10%-ным раствором азотной кислоты. О том, на­ сколько внимательно следует относиться к результатам макро­ травления, особенно тогда, когда выявляются дефекты типа фло­ кенов, можно судить по следующему примеру. Была изготовлена крупная поковка средней части сборного ротора электрического турбогенератора большой мощности. Форма поковки — толсто­ стенный полый цилиндр, материал — низколегированная сталь. Испытания и исследования, которым был подвергнут материал поковки, дали хорошие результаты по химическому составу, меха­ ническим свойствам и микроструктуре исследованных образцов. Только на одном из образцов в форме пластины, отрезанном от торца поковки со стороны, соответствующей верху слитка, при макротравлении были обнаружены три мелкие тонкие трещинки длиной 2—3 мм, несколько напоминавшие по характеру слабо­ развитые флокены.

В связи с этим поковка была подвергнута дополнительным испытаниям и исследованиям, для чего были вырезаны пластины с торцов поковки. Макротравление новых образцов выявило зна­ чительное количество мелких дефектов, подобных ранее обнару­ женным, а прочность и пластичность при испытании на растяжение специально изготовленных плоских образцов, пораженных в ра­ бочей части указанными дефектами, оказались низкими. После дополнительных исследований поковка была окончательно забра­ кована.

В ряде конструкций турбин применяют лопатки, хвосты ко­ торых образованы способом холодной высадки и в сечении имеют Т-образную форму. Такие лопатки выборочно подвергают макро­ травлению для оценки правильности расположения волокон после высадки, а при их неблагоприятном расположении бракуют.

Широко используют в турбостроении серную пробу. Сера является вредной примесью в сталях, применяемых в производ­ стве турбин. Техническими условиями содержание серы обычно ограничивается 0,025—0,05%. Химический анализ позволяет определить только количественное содержание серы в исследо­ ванном объеме металла, не давая представления о равномерности и характере ее распределения. Однако, как показывает опыт, неблагоприятное распределение сернистых соединений может оказаться весьма опасным. Наличие в поковке скоплений серы некоторой определенной формы при среднем ее содержании в ме­

39