Испытания при повышенных температурах.
Одной из главных задач при разработке любых инженерных конструкций является правильный выбор материала. От этого зависит не только долговечность создаваемого объекта, но и безопасность его эксплуатации.
Все металлы во время изготовления и изделия из них подвергаются обязательной проверке – испытаниям. НТД и руководящие стандарты определяют порядок их проведения.
К специфическим видам определения качества и возможности применения металла определенной марки являются испытания при повышенных температурах. Данный вид испытаний нашел широкое применение в машиностроении, энергетике, судостроении, авиации и др. отраслях народного хозяйства.
Методы испытания механических свойств металла при высоких температурах.
Испытания проводятся с целью определения механических характеристик металла определенных марок, которому предстоит работать в повышенном температурном режиме.
В таких условиях работают лопатки турбин реактивных двигателей самолетов, котлы и паропроводы ТЭЦ, реакторы АЭС, детали двигателей внутреннего сгорания и др.
Испытания на растяжение при температуре до 1200 °С.
При этом испытании определяются:
- Предел текучести;
- Временное сопротивление разрыву;
- Относительное удлинение;
- Относительное сужение.
Пределом текучести называется механическая характеристика металла, означающая конец упругой деформации и начало пластичной. На практике это означает, что чем меньше значение предела текучести, тем ниже нагрузки, при которых допускается эксплуатация изделий. Знание значения предела позволяет проектировщикам правильно выбрать безопасную марку металла для изготовления деталей и конструкций в целом.
Испытания предела текучести металла проводят на разрывных испытательных машинах, соответствующих требованиям ГОСТ 28840-90.
Испытываются до 10 образцов, изготовленных по ГОСТ 1497-84. Температура и время испытания определяется требованиями НТД.
Образцы при испытании в условиях повышенных температур имеют отличия от образцов для испытания при нормальной температуре из-за сложности конструкции захватов (ограничение относительно формы и размеров камеры печи). Поэтому образцы изготовляются либо с резьбой, либо с отверстиями в нерабочей части.
После фиксации образца в захватах испытательной машины устанавливается нагрузка и фиксируются значения процесса испытания.
На дисплее машины отображается диаграмма растяжения, по которой определяется предел текучести.
Временное сопротивление разрыву - это числовое значение напряжения, при котором разрушается элемент конструкции. Другими словами, это предел прочности металла.
Подготовка образцов для испытания осуществляется также, как и предыдущем случае.
Процесс испытания заключается в растяжении образца с плавно возрастающим усилием до его полного разрушения.
После завершения испытания с дисплея машины считывается числовое значение наибольшего усилия, вызвавшего разрушение металла. Оно и принимается за величину временного сопротивления разрыву.
Относительное удлинение - важная характеристика деформации металла, показывает приращение расчетной длины образца к ее первоначальной длине. Т. е. это возможность металла пластически деформироваться до момента разрушения.
Подготовка образцов для испытания осуществляется также, как и предыдущем случае. Отличием является нанесение меток на рабочую длину образца.
На испытательной машине образец растягивается до его разрыва.
После завершения испытания штангенциркулем замеряются величины между метками и по специальным формулам высчитывается значение временного сопротивления. Числовые значения относительного удлинения указываются в процентах. Например, значение 100 % говорит о том, что в этом случае металл до разрушения выдерживает двукратное удлинение.
Относительное сужение - это отношение разности начальной и минимальной площадей поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения.
Испытания проводятся на цилиндрических образцах (ГОСТ 1497-84). Процесс испытания аналогичен ранее рассмотренному испытанию на относительное удлинение.
Числовое значение, полученное в результате испытания, определяют по специальным формулам с переводом в проценты.
Кроме перечисленных, металлы, работающие в условиях повышенных температур, подвергаются еще ряду испытаний.
Испытания на ползучесть при повышенных температурах.
Ползучесть металла - медленная деформация под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Развитие ползучести приводит к разрушению металла.
Испытания материалов на ползучесть длительны: минимальное время испытаний обычно составляет 3 000—4000 ч. Поэтому такому виду испытаний подвергаются особо ответственные изделия – котлы и трубопроводы АЭС, детали турбин, высоко нагружаемые валы и т. д.
Испытания металла на ползучесть проводят согласно требованиям ГОСТ 3248-81. Испытательные машины подбираются по ГОСТ 28845-90.
Суть испытательного процесса заключается в воздействии на образец постоянного напряжения растягивающей нагрузки и постоянной температуре при фиксировании деформации во времени.
Результатом испытания является определение предела ползучести металла (напряжения, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышает заданной величины). Исходным критерием расчета является величина остаточного удлинения, определяемая после окончания испытания.
Испытания при ударных нагрузках при повышенных до 1200 °С температурах.
Испытание на ударный изгиб позволяет определить ударную вязкость металла, важнейшую характеристику сопротивления хрупкому разрушению. Является обязательным при проверке качества металла и его сварных швов, предназначенного для использования на АЭС, при изготовлении сосудов, работающих под давлением.
Во время испытаний применяются трубчатые печи, обеспечивающие установку образца в установленное для испытания положение.
В предварительно нагретую печь помещают образец, который нагревается до заданной температуры. По истечении 10-минутной выдержки после набора заданной температуры образец выталкивается в захваты испытательной машины (копра).
После разрушения образца маятником копра математическим путем рассчитывается ударная вязкость испытываемого металла.
Порядок испытания и обработка полученных результатов производятся в соответствии с ГОСТ 9454-78.
Испытания на длительную прочность при температурах до 1200 °С.
Длительная прочность - напряжение, которое выдерживает металл без разрушения в течение определенного времени при заданной температуре. Является важнейшей характеристикой при выборе жаропрочных металлов. Испытания обязательны в авиации, ракетостроении, при производстве турбин различного назначения.
Метод испытания определен ГОСТ 10145-81. Его суть заключается в доведении образца до разрушения под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.
Сложность проведения испытания при определении предела длительной прочности заключается в необходимости наличия специального оборудования с круглосуточным обслуживанием, поскольку продолжительность испытания может доходить до 10 000 часов.
В результате испытаний определяется предел длительной прочности металла и делается заключение о его возможности использования в какой-либо конкретной конструкции.
Испытание на горячее скручивание при температурах до 1200 °С.
Испытание на горячее скручивание позволяет оценить технологическую пластичность металла при высоких температурах по числу скручивания образца до его разрушения и максимальному крутящему моменту. Актуально для проверки качества металла, предназначенного для изготовления валов и др. элементов в конструкциях, работающих в повышенном тепловом режиме.
При испытании применяются специальные испытательные машины или обычные с дополнительным приспособлением, которое обеспечивает постоянство крутящего момента.
Измерение угла закручивания производится катетометрами, индикаторами или зеркальными тензометрами.
Величина крутящего момента и др. характеристики, полученные в процессе испытания, записываются автоматически контрольной аппаратурой машины.
