УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ

Устройство для испытания сопротивления материалов термической усталости относится к области средств исследования свойств вещества методами термомеханических испытаний. Его конкретное применение -термоциклические испытания материалов, предназначенных для изготовления изделий, которые работают в условиях высоких температур и напряжений с периодическим нагревом и охлаждением, например, турбинные лопатки наземных и авиационных газотурбинных двигателей.
В процессе эксплуатации жаропрочные материалы испытывает сложное температурно-силовое воздействие, характер которого в разных частях изделия в одно и то же время может существенно отличаться. В результате возникают напряжения, вызывающие локальную упругопластическую деформацию материала, а периодическое изменение состояния приводит в конечном итоге к разрушению, называемому термической усталостью, которая является важной инженерной характеристикой жаропрочных материалов. Сопротивление материалов термоусталости исследуют, как правило, имитируя процесс посредством циклического изменения температуры образца, ограничив при этом его термическую деформацию связями различной степени жесткости (С). Поскольку установлено, что число циклов до разрушения зависит от пластической деформации за цикл, в испытаниях изменяют ее, варьируя жесткость системы нагружения.
Исследование термической усталости материалов осуществляют, обычно, на стационарных испытательных машинах, снабженных средствами нагрева, охлаждения и варьирования упругопластической деформакции (Физико-механические свойства. Испытания металлических материалов.
T.II - 1. M. изд. Машиностроение, 2010, с.247. Гл.3.4. Машины и аппараты для термомеханических испытаний при повышенных температурах). Известна установка для программных термомеханических испытаний (с.251), включающая основание, закрепленные на нем вертикальные стойки, соединенные вверху траверсой, снабженной механизмом крепления одной из головок образца. Стойки служат направляющими для подвижной поперечины, несущей узел крепления второй головки образца. Установка снабжена системой управления механизмом нагружения, системой регулирования температурного цикла и средствами регистрации напряжений и деформаций. В силу своей конструкции установка предназначена, главным образом, для исследовательских работ и испытаний индивидуальных образцов, но малопригодна для выполнения массовых испытаний.
Известно устройство для испытания сопротивления материалов термической усталости (Р.А Дульнев, П.И. Котов. Термическая усталость металлов, M., Машиностроение, 1980, с.22). Оно включает раму, снабженную на двух противоположных стенках средствами закрепления головок испытуемого образца, и систему нагрева-охлаждения. Для изменения жестки по отношению к образцу в стенках рамы, несущих средства крепления головок образца, смонтированы упругие элементы (мембран) и предусмотрена возможность их смены. При этом сама рама и упругие элементы находится вне нагревательного устройства, а испытуемый образец, закрепленный в раме, помещен внутрь нагревательной камеры.
Такое выполнение испытательного стенда не допускает мобильности при осуществлении контроля и исследований.
Недостатком его, как и выше описанного, является невысокая производительность контроля, в связи с тем, что его работа осуществляется с каждым образцом индивидуально, а сам процесс исследования является достаточно продолжительным. Кроме того оно не позволяет производить какие-либо дополнительные исследования состояния образца, не прерывая процесс испытаний. К тому же это сложный стационарный стенд больших размеров.
Ближайшим техническим решением является устройство для испытаний сопротивления материалов термической усталости, включающее раму со средствами крепления образца, выполненную в виде основания с отверстиями, в которых закреплены две параллельные стойки, несущие средства крепления образца (Б.М.Гугелев, Л.Б.Гецов, Ю.А.Журавлев, Е.Г.Новикова, Метод микроструктурного исследования повреждений в металлах при термической усталости. Заводская лаборатория, 1976, №1, с.94-97).
p
В этом устройстве жесткость нагружения сохраняется неизменной (С≈∝) и вся термическая деформация переходит в упругопластическую (Δε) при любом изменении температуры. Поэтому для построения зависимости долговечности (числа циклов до разрушения N) от величины упругопластической деформации Δε, которая необходима для определения сопротивления материала термической усталости, приходится изменять величину температурного интервала нагрева-охлаждения ΔT. С точки зрения испытаний на термическую усталость такой способ варьирования Δε является значительным недостатком. В этом случае при разной величине задаваемой Δε материал оказывается и испытывается при разных температурах, а его свойства и поведение зависят от температуры.
Устройство для термоциклических испытаний, являющееся ближайшим техническим решением (рис.1), содержит массивную раму, состоящую из основания в виде двух блоков 1, 2, разделенных электроизоляционным материалом (слюдой) 3, с ввернутыми в них стойками 4, 5, на которые надевают образец 6, фиксируя гайками 7, 8. Нагрев образца производят пропусканием через него электрического тока. Рама выполнена с абсолютной жесткостью (С≈∝) по отношению к термической деформации образца.
Недостатками известного устройства являются:
1) Невысокая производительность контроля, в связи с тем, что его работа может осуществляться только с каждым образцом индивидуально, а сам процесс исследования является достаточно продолжительным.
2) Ограниченные возможности в отношении выполнения исследований состояния образца неразрушающими методами, не прерывая процесс испытаний.
3) Невозможность проводить испытания по всем схемам термо-силового воздействия, а именно: осуществлять растяжение объекта контроля в ходе нагрева и сжатие при охлаждении.
4) Сложность стабилизации температурного режима в пределах расчетной части испытуемого образца.
Указанные недостатки являются следствием того, что рама нагружения, создающая стеснение термической деформации образца в ходе изменения его температуры, не может быть помещена внутрь устройства осуществляющего изменение температуры образца. Она должна, согласно известному техническому решению, сохранять свою температуру неизменной в ходе испытаний. Поэтому регулирование упругопластической деформации контролируемого образца производят, изменяя продолжительность температурного диапазона нагрева и охлаждения. Сама рама в регулировании упругопластической деформации контролируемого образца участия не принимает.
С целью устранения указанных недостатков устройство для испытания сопротивления материалов термической усталости, включающее раму со средствами крепления образца, выполненную в виде основания с отверстиями, в которых закреплены две параллельные стойки, несущие средства крепления образца, отличается тем, что основание рамы выполнено из материала с термическим коэффициентом расширения, отличающимся от материала образца, а стойки, выполнены из материала с нерегламентированным термическим расширением.
Помимо того рама может быть дополнительно снабжена съемной пластиной, закрепленной на стойках параллельно основанию над креплениями образца и выполненной из того же материала, что и основание с термическим коэффициентом расширения, отличным от материала образца.
Благодаря такому решению устройство для испытаний становится автономным и легко перемещаемым. Устранение указанных недостатков известного устройства достигается благодаря тому, что нагружающая рама включена техническим решением в систему регулирования упругопластической деформации образца, которую необходимо задавать в ходе термоциклических испытаний для определения сопротивления материала термической усталости. Предлагаемое техническое решение дает возможность помещать раму в нагреватель, где она имеет в каждый момент туже температуру, что и испытуемый образец. Однако поскольку ее основание выполнено из подобранного материала с коэффициентом термического расширения, отличающимся от материала образца, его термическая деформация в ходе изменения температуры отличается от термической деформации образца (будучи больше или меньше). Благодаря этому абсолютно жесткая по отношению к образцу рама создает в нем заданную расчетную степень стеснения термической деформации и требуемую величину упругопластической деформации, которая представляет собой разность между термическим расширением образца и термическим расширением рамы.
ср
ср
Возможность такого решения обусловлена тем, что требуемая упругопластическая деформация Де определяется только разницей α материала образца и основания в направлении оси образца, вдоль которой осуществляется деформация при нагреве и охлаждении. Расширение же стоек, расположенных и расширяющихся в направлении перпендикулярном оси не оказывает влияния на результат испытаний и поэтому они могут быть выполнены из материала с любым α.
ср
ср
max
min
ср
ср
min
max
ср
образца
рама
образца
рама
терм
терм
Величина упругопластической деформации Δε, которая может быть получена при выборе конкретного материала для основания определяется из выражения Δε=(α -α ) (T-T), где α  и α  - средние значения коэффициентов термического расширения материала образца и рамы в диапазоне температур испытаний от T до T. В испытаниях, когда жесткость системы нагружения близка к абсолютной (С≈∝), основание рамы следует выполнить из материала с почти нулевым коэффициентом термического расширения (α). В этом случае в цикле нагрева и охлаждения вся термическая деформация образца ε переходит в упругопластическую деформацию Δε. Когда же упругопластическая деформация Δε должна составлять заданную часть от термической деформации ε, а образец подвергаться сжатию при нагреве и растяжению при охлаждении, основание следует изготовить из материала, коэффициент линейного расширения которого меньше, чем у испытуемого образца. Чтобы образец при нагреве растягивался, а при охлаждении сжимался с заданной величиной упругопластической деформации, основание рамы должно быть из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у испытуемого образца.
Варианты выполнения устройства показаны на рис.2 и рис.3. На рис.2 представлен вариант, в котором рама содержит основание, выполненное в виде прямоугольной пластины с двумя отверстиями, и две стойки, закрепленные в отверстиях. Поперечное сечение пластины должно быть расчетным. Оно согласуется с поперечным сечением образца так, чтобы деформацией основания под действием образца можно было пренебречь в испытаниях. Другой вариант устройства показан на рис.3 (вырез на чертеже сделан, чтобы показать образец). Он содержит дополнительную опору в виде пластины, накрывающей образец и закрепленной на тех же стойках, что и захваты образца. Пластина должна быть выполнена из того же материала, что и основание. Этот вариант менее удобен в связи с тем, что ограничивает доступ к поверхности образца, когда в ходе испытаний предусмотрено его исследование неразрушающими методами. Однако в ряде случаев он необходим, поскольку является более уравновешенным в силовом отношении.
Установка образцов в раме очень проста и определяется выполнением средств крепления его головок, смонтированных на стойках. В приведенных примерах (рис.2 и 3) головки образца надеваются на стойки и фиксируются гайками.
ср
min
max
ср
ср
ср
ср
ср
max
min
образца
-6
-1
терм
образца
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
Необходимость разработки предложенного устройства была вызвана проблемами испытаний жаропрочных никелевых сплавов для турбинных лопаток. У этих материалов, имеющих α ≈15×10 град, испытания проводят при T≈100°С и T≈1000°С. Для абсолютно жесткого нагружения, т.е. Δε=ε=1.35%, раму можно изготавливать из кварца или инвара, имеющих α≈0, либо из кремния с α ≈2.3×10 град. Чтобы получить Δε=0.9%, рама должна быть из вольфрама либо молибдена, имеющего α=4.6×10 град, Δε=0.7% - из титана с α=7.2×10 град, а Δε=0.3% - из стали с α=11.5×10 град. Заправленную раму (с установленным образцом) или несколько рам, собранных в кассету, закрепляют в подающем механизме возвратно-поступательного или дискового типа, размещенном около нагревателя или непосредственно на нем. После установления заданной температуры T в нагревателе и T в охладителе производят подачу образцов в нагреватель и в холодильник по программе испытаний. Температура образцов в процессе испытаний отслеживается и регистрируется с помощью термопар, приваренных к образцам или рамам. В определенные моменты, установленные программой испытаний, раму с образцом, не разгружая его, переносят в измерительный микроскоп для измерения текущей деформации или на столик металлографического микроскопа, либо в рентгеновский дифрактометр или в сканирующий микроскоп для выполнения структурных исследований. По завершении их раму с образцом вновь возвращают в цикл испытаний для их продолжения.
Технические результаты, достигаемые благодаря предложенному техническому решению состоят в следующем:
1) Оно дает возможность варьировать величину упругопластической деформации в любом выбранном температурном интервале испытаний, сохраняя его протяженность.
2) Повышается производительность контроля благодаря возможности одновременного проведения испытаний партии образцов.
3) Расширены функциональные возможности контроля, т.к. появилась возможность прерывать испытание образца и выполнять на нем любые необходимые структурные исследования, не разгружая образец, и вновь возвращать для продолжения испытаний до их окончания или до следующей остановки.
4) Расширены возможности контроля, благодаря тому, что при выполнении рамы из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у испытуемого образца, предложенное устройство позволяет производить испытания по схеме, которая не может быть осуществлена в устройстве прототипе - растяжение при нагреве и сжатие в ходе охлаждения.
5) Повышение точности регулирования задаваемой упругопластической деформации благодаря тому, что обеспечивается равномерное распределение температуры по всей рабочей части образца, поскольку он целиком вместе с рамой располагается в рабочем объеме нагревателя. 6) Придавая раме и образцу определенную расчетную форму можно производить в испытаниях моделирование работы реальных изделий или их отдельных участков.
Наконец следует отметить простоту предложенного устройства, возможность его изготовления в условиях предприятия, осуществляющего контроль своей продукции, и возможность выполнения испытаний по контролю сопротивления материала термической усталости, не привлекая для этого сложное специализированное дорогостоящее оборудование.