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, эксплуатация которых протекает при высоких температурах и напряжениях с периодическим нагревом и охлаждением, например, турбинные лопатки наземных и авиационных газотурбинных двигателей.
Эти материалы в процессе эксплуатации испытывает сложное температурно-силовое воздействие, характер которого в разных частях изделия в одно и то же время может существенно отличаться. Некоторые области, подвергаются периодически нагреву и охлаждению, вследствие чего должны изменять свои размер, но не могут этого делать из-за противодействия примыкающих участков. В результате возникают напряжения, вызывающие локальную упругопластическую деформацию материала, а периодическое изменение состояния приводит в конечном итоге к разрушению. Неизотермическое малоцикловое разрушение, обусловленное стеснением температурной деформации различных участков материала, называют термической усталостью. Она является важной инженерной характеристикой жаропрочных материалов. Исследование этого явления и сопротивления материалов термоусталости осуществляют, как правило, имитируя процесс посредством циклического изменения температуры закрепленного образца, ограниченного в отношении термической деформации связями различной степени жесткости (C). Поскольку установлено, что число циклов до разрушения зависит от пластической деформации за цикл, в испытаниях варьируют жесткость системы нагружения, диапазон изменения температуры и максимальную температуру цикла, а также размах деформаций.
Для реализации этих условий используют, обычно, стационарные испытательные машины, снабженные средствами нагрева и охлаждения (Физико-механические свойства. Испытания металлических материалов.
Т.II - 1. М. 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, вертикальные стойки, закрепленные на нем, и соединенные сверху 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, прежде всего, для исследовательских работ и испытания 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, М., Машиностроение, 1980, с.22), включающее раму, выполненную в виде основания и боковых стоек с возможностью изменения жестки по отношению к образцу, снабженную на двух противоположных стойках средствами закрепления головок испытуемого образца, и нагреватель, включающий рабочую камеру и допускающий изменение температуры в ней. В известном устройстве для изменения жестки по отношению к образцу стенки рамы, несущие средства крепления головок образца, выполнены в виде сменных упругих элементов (мембран). При этом сама рама находится вне нагревательного устройства, а испытуемый образец, закрепленный в раме, помещен внутрь нагревательной камеры. Все это не допускает мобильности при осуществлении контроля и исследований.
Недостатком этого устройства 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.
Известно устройство для испытаний сопротивления материалов термической усталости, включающее рабочую камеру, в которой размещена система нагрева образца, закрепленного в раме. Рама снабжена средствами крепления образца и выполнена в виде горизонтального основания. В основание вмонтированы вертикальные 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).
терм
ср
2
1
ср
2
1
p
Испытания сопротивления материала термической усталости в этом устройстве включают периодический нагрев и охлаждение образца, помещенного в систему нагружения с не изменяемой жесткостью (C≈∞), т.ч. в образце создается определенная величина упругопластической деформации (Δε) в цикле изменения температуры Δε=εα(T-T), где α - средний коэффициент линейного расширения материала в интервале изменения температур (T-T). Для построения зависимости долговечности (числа циклов до разрушения N) от величины упругопластической деформации Δε, с целью установления сопротивления материала термоусталости, испытания выполняют при нескольких (обычно трех) уровнях Δε, которые в данном устройстве могут быть заданы только посредством изменения величины температурного интервала нагрева-охлаждения.
Ближайшим техническим решением является устройство для испытаний сопротивления материалов термической усталости (Патент на полезную модель №123523, приоритет от 23 июля 2012 г.), которое включает систему нагрева с рабочей камерой, допускающей изменение температуры, и раму со средствами крепления образца, выполненную в виде основания с отверстиями, в которых перпендикулярно ему закреплены стойки, несущие средства крепления образца, при этом основание рамы выполнено целиковым в виде пластины из материала с термическим коэффициентом расширения, отличающимся от материала образца, а стойки, выполнены из материала с нерегламентированным термическим расширением, при этом габариты рамы допускают ее размещение целиком в рабочем объеме нагревателя.
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. Раму требуемой жесткости (C), на двух расположенных друг против друга стойках которой в захватах закреплены головки образца, в соответствии с программой термоциклических испытаний периодически вводят то в рабочую камеру нагревателя, то в пространство для охлаждения.
Недостаток прототипа связан с тем, что основание рамы (и съемная пластина), изготовленное из материала с заданным коэффициентом термического расширения, выполнено целиковым. Из-за этого стеснению в ходе испытаний подвергается не только расчетный участок образца, но и его переходные части - заплечики и головки крепления в захватах. Вследствие своего стеснения основанием рамы эти переходные части воздействуют на расчетный участок образца, вызывая его не предсказуемую деформацию и искажая результаты испытаний сопротивления материала термической усталости. Дело в том, что основу испытаний методами варьируемой жесткости нагружения составляет стеснение свободной термической деформации расчетного участка образца. В прототипе же он подвергается дополнительному внешнему воздействию, и результаты испытаний становятся неоднозначными.
Для устранения указанного недостатка прототипа и повышения достоверности результатов, в устройстве для испытаний сопротивления материала термической усталости методом варьируемой жесткости нагружения, включающем систему нагрева с рабочей камерой, допускающей изменение температуры, и раму со средствами крепления образца, имеющего участок деформации расчетной длины, включающую основание с отверстиями и стойки, закрепленные в них и несущие средства крепления образца, основание рамы выполнено составным из трех жестко соединенных между собой частей, средняя из которых имеет длину равную длине расчетной части образца и выполнена из материала с заданным коэффициентом термического расширения, отличным от коэффициента термического расширения образца, а две крайние части основания (боковины), снабженные отверстиями с установленными в них стойками крепления образца, выполнены из материала с термическим коэффициентом расширения равным или близким к таковому у испытуемого образца.
При этом в случае дополнения устройства съемной пластиной с отверстиями, она выполнена, как и основание, составной из трех жестко соединенных между собой частей, из которых средняя часть с длиной, равной расчетной длине расчетной части образца, из того же материала, что и средняя часть основания, а крайние части из материала крайних частей основания.
Предлагаемое техническое решение устраняет недостаток прототипа благодаря тому, что оно обеспечивает необходимое для реализации метода варьируемой жесткости стеснение термической деформации расчетной части образца и только его. Тогда, как вспомогательные участки образца (заплечики и головки образца) имеют такое же термическое расширение как и боковые части основания и не препятствуют расширению друг другу.
ср
ср
ср
max
min
ср
ср
min
max
ср
ср
ср
ср
ср
обр
осн
обр
осн
осн
терм
терм
осн
обр
осн
обр
Возможность такого решения обусловлена тем, что требуемая упругопластическая деформация Δε определяется только разницей α материала образца и средней части основания в направлении оси образца, вдоль которой осуществляется деформация при нагреве и охлаждении. Величина упругопластической деформации Δε, которая может быть получена при выборе конкретного материала средней части основания определяется из выражения Δε=(α  - α )(T - T), где α  и α  - средние значения коэффициентов термического расширения материала образца и середины основания в диапазоне температур испытаний от T до T. - В испытаниях, когда жесткость системы нагружения близка к абсолютной (C≈∞), стеснение обеспечивают, выполняя середину основания из материала с почти нулевым коэффициентом термического расширения (α ). В этом случае, в ходе изменения температуры вся термическая деформация образца ε переходит в упругопластическую деформацию Δε. Если упругопластическая деформация Δε должна составлять заданную часть от термической деформации ε, а образец подвергаться сжатию при нагреве и растяжению при охлаждении, то середину основания следует изготовить из материала, у которого α  < α . Если же образец при нагреве должен растягиваться, а при охлаждении сжиматься с заданной величиной упругопластической деформации, середина основания должна быть выполнена из материала, у которого α  > α .
Варианты выполнения рамы устройства показаны на рис.1 и рис.2. На рис.1 представлен вариант, в котором рама выполнена в виде комбинированного основания с двумя отверстиями, в которых закреплены две стойки, несущие средства крепления образца. Поперечное сечение основания должно быть расчетным и согласованным с поперечным сечением образца так, чтобы деформацией основания под действием образца можно было пренебречь в испытаниях. Другой вариант устройства показан на рис.2 (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 таким же образом, как 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 он 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.1 и 2) головки образца надеваются на стойки и фиксируются гайками.
max
min
Заправленная рама (с установленным образцом) представляет собой устройство, которое позволяет исследовать сопротивление материала испытуемого образца термической усталости. Для этого ее после установления заданной температуры T в нагревателе и T в охладителе поочередно передают то в нагреватель, то в холодильник по программе испытаний. Температуру образцов в процессе испытаний отслеживают и регистрируют с помощью приваренных термопар. В определенные моменты, предусмотренные программой испытаний, раму с образцом, не разгружая, 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 до следующего перерыва.
Предложенное устройство позволяет получать результаты испытаний не искаженные внешним силовым воздействием на расчетную часть образца со стороны примыкающих частей. Благодаря этому информация о сопротивлении материала термической усталости является более достоверной. Устройство отличается простотой, возможностью изготовления в условиях предприятия, осуществляющего контроль своей продукции, и возможностью выполнения испытаний по контролю сопротивления материала термической усталости, не привлекая для этого сложное специализированное стендовое оборудование.