Метод испытаний металлов на ползучесть

Машина ЦСТ-2/3  предназначена для испытания при растяжении образцов с расчетной длиной до 100 мм в интервале температур 300—4200° С. Максимальная нагрузка 20 000 н (2000 кГ). Машина имеет три независимые друг от друга идентичные испытательные секции, объединенные на одной станине.

Машина ПВ-1522 предназначена  для испытания цилиндрических и  плоских образцов с расчетной длиной до 50 мм на ползучесть и длительную прочность при растяжении в вакууме 10^-4—10^-5 мм рт. ст. или в среде инертного газа при температурах 800—1500^º С. Машина имеет рычажный механизм нагружения с двумя рычагами. Общее передаточное отношение рычагов 1 : 60. Максимальная величина нагрузки 20 000 н (2000 кГ). Горизонтальное положение рычагов поддерживается автоматически контактным устройством и электродвигателем, связанным через редуктор с системой нагружения. Рабочая камера отделена от внешней среды подвижным уплотнением, перемещающимся на величину деформации образца.

Вакуумная печь представляет собой сварную конструкцию цилиндрической формы с нагревателем из вольфрамовых прутков, окруженных теплоотражающими металлическими экранами. Печь имеет  систему водяного охлаждения. Измерение  температуры осуществляется вольфрам-рениевой термопарой, вакуумный ввод которой расположен в корпусе печи. Для измерения деформации образца с помощью катетометра КМ-6 в корпусе печи имеется окно, герметически закрытое кварцевым стеклом.

Для испытаний при температурах свыше 1500º С (до 2000—2500° С) разработана машина ПВ-Э0И2.

Высокотемпературные установки  с вакуумными печами чаще всего применяются для испытания тугоплавких сплавов (Nb, Mo, WnAp.), которые в связи с их интенсивным окислением нельзя испытывать без защитных покрытий в воздушной среде. В этом случае важными методическими факторами являются чистота и стабильность рабочей среды, так как тугоплавкие металлы и сплавы на их основе загрязняются примесями (О₂, N₂ и др.) даже в глубоком вакууме и при этом существенно изменяются их прочностные свойства.

 Наиболее желательными для объективной оценки характеристик жаропрочности этой группы материалов являются испытания в вакууме не ниже 10^-8 мм рт. ст. Для возможности сопоставления получаемых результатов необходимо указывать, при', какой степени вакуума и величине натекания в рабочую зону печи проводились испытания.

Особенности оборудования для  испытания на ползучесть при сжатии и методики этих испытаний заключаются в следующем. Приложение нагрузки к образцу с помощью рычажной системы нагружения осуществляется через пуансоны, расположенные вне нагревательной печи, и нагружающие штоки с плоскими торцами, входящие в печь.

 Применение штоков  вместо захватов сложной формы позволяет изготавливать их из высокопрочных керамических или металлокерамических материалов (например, из окиси алюминия или карбида кремния). Деформацию образца можно измерять по перемещению опорных поверхностей штоков с помощью экстензометров, аналогичных применяемым при испытании на растяжение.

 

2.4 Проведение испытаний

Правильность установки  образца в захватах испытательной  машины (отсутствие эксцентриситета) проверяется  измерением при нормальной температуре  упругих удлинений образца на двух диаметрально противоположных сторонах и должно быть не более 10% среднего арифметического значения деформации образца.

Образец, установленный в  захватах испытательной машины и  помещенный в печь, нагревают до заданной температуры (время нагрева  должно быть не более 8 ч) и выдерживают  при этой температуре не менее 1 ч. При необходимости продолжительность  выдержки регламентируется в стандартах или технических условиях на металлопродукцию.

В особых случаях, если испытываемый материал имеет стабильную структуру  и предназначен для длительных сроков службы, время нагрева может быть более 8 ч, а для материала, имеющего нестабильную структуру и предназначенного для небольших сроков службы, время  предварительной выдержки - менее 1 ч.

Нагревательное устройство может применяться с защитной или иной атмосферой, если этого  требуют условия испытания.

Для измерения температуры  на образцах с расчетной длиной до 100 мм включительно должно быть установлено  не менее двух термопар, а на образцах с расчетной длиной свыше 100 мм не менее трех термопар, распределенных равномерно по всей расчетной длине.

Термопары устанавливаются  так, чтобы горячие спаи плотно соприкасались  с поверхностью образца: горячий  спай термопары должен быть защищен  от воздействия раскаленных стенок печи. В случае изменения показаний  термопар применяются иные термопары, сохраняющие стабильность показаний  до конца испытаний.

Холодный спай термопары  в процессе испытания должен иметь  постоянную температуру.

Необходимо периодически, не реже чем через 2 ч, измерять температуру  испытания. Рекомендуется автоматическая запись температуры на протяжении всего  испытания. 
          Температура испытания выбирается кратной 25, если по условиям исследования не требуется специальная температура.

После нагрева образца  и выдержки при заданной температуре  к образцу плавно прикладывают предварительную  нагрузку, равную приблизительно 10% от заданной общей нагрузки, но при  этом предварительная нагрузка не должна вызывать в образце напряжение более 10 МПа.     

Если температура образца  и показания измерителя удлинения  остаются в течение 5 мин неизменными, то проводят плавное нагружение образца  до заданной нагрузки. 
     Одновременно с приложением нагрузки должна проводиться регистрация удлинения образца, начиная с предварительной нагрузки и на каждой ступени нагружения, если последнее осуществляется ступенями.

Регистрацию удлинения образца  должны проводить или непрерывно, или с такими интервалами, чтобы  можно было полностью установить характер изменения удлинения. Части приборов, выходящие из печи, должны быть сконструированы и защищены так, чтобы кратковременные изменения температуры не влияли на показания приборов. 
      
     Примечание. Допускается применение приборов с точностью отсчета деформации до 0,02 мм, если по требованиям испытания такая точность достаточна. 
      
     Если конструкция испытательной машины на ползучесть не позволяет осуществлять нагружение ступенями, то пластическая деформация при нагружении может быть получена вычитанием упругой деформации из суммарной. Упругая деформация рассчитывается из величины модуля упругости материала при температуре испытания. 
      
     Перерывы при испытании небольшой длительности не допускаются. Длительные испытания после перерывов могут быть продолжены. Образцы при перерыве испытания не разгружаются. Необходимо обеспечить отсутствие дополнительных напряжений в образце при его охлаждении.

Продолжительность испытания  и допуск на деформацию при заданных напряжениях и температуре (т.е. нагрузке, отнесенной к начальной площади  поперечного сечения образца) устанавливаются  для каждого материала в зависимости  от его назначения.

Определение предела ползучести рекомендуется проводить при  допусках на удлинение от 0,1 до 1% при  длительности испытания 50, 100, 300, 500, 1000, 3000, 5000, 10000 ч, если не требуется иная длительность или иной допуск на деформацию. 
          В случае определения предела ползучести по скорости ползучести продолжительность испытания должна составлять не менее 2000-3000 ч, при условии продолжительности прямолинейного участка кривой ползучести не менее 500 ч, при этом указывается метод определения.

Температура помещения во время испытания должна быть по возможности  постоянной. Колебания температуры  помещения во время измерения  удлинения не должны превышать ±3 °С.

После окончания испытания  на ползучесть образец разгружают до величины предварительной нагрузки и определяют абсолютную величину остаточного  удлинения.

3. Обработка результатов испытаний

Результаты испытаний  представляют графически в виде первичных кривых ползучести.

Кривая "относительное удлинение (т.е. деформация ползучести) - время"  называется первичной кривой ползучести.

В результате испытания определяют предел ползучести материала, т.е. напряжения, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышает заданной величины.

 Условный предел ползучести - напряжение, которое вызывает за  установленное время испытания  при данной температуре заданное  удлинение образца (суммарное  или остаточное) или заданную  скорость ползучести на прямолинейном  участке кривой ползучести. 
      
     Суммарное   или остаточное   относительное удлинение в процентах вычисляют по формулам:        

где   - начальная расчетная длина, измеренная при комнатной температуре перед испытанием образца с погрешностью до 0,05 мм; 
      
        - абсолютное удлинение, регистрируемое при очередном измерении деформации образца в процессе испытаний, мм.

Примечание. Допускается  определять суммарное или остаточное удлинение без учета пластической составляющей удлинения при нагружении. При представлении результатов  это необходимо указать. Первоначальная расчетная длина ( ) должна измеряться при комнатной температуре перед испытанием образца.     

 Определение условного  предела ползучести проводят  следующим образом: 
  - испытывают серию образцов при данной температуре и трех-четырех уровнях напряжений. Количество образцов в серии должно обеспечивать необходимую точность определения условного предела ползучести;

- на основе полученных первичных кривых ползучести определяют среднее значение  ,   и скорости ползучести на прямолинейном участке каждого уровня напряжений и строят диаграммы зависимости между напряжением и удлинением или между напряжением и средней равномерной скоростью ползучести на прямолинейном участке в логарифмической системе координат (допускается обработка данных испытаний в других системах координат). По этим диаграммам находят искомое напряжение, которое записывают с точностью до 5 МПа;     

 - удлинение при нагружении;   - полное (упругое + остаточное удлинение на криволинейном участке);   - суммарное (упругое + остаточное) удлинение за время испытания;   - упругое удлинение;   - остаточное удлинение 

После того как искомое напряжение будет найдено не менее чем при трех разных температурах испытания, может быть построена диаграмма зависимости между условным пределом ползучести и температурой. Пример условного обозначения величины деформирования предела ползучести   при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч испытания при температуре 700 °С:

При этом необходимо дополнительно  указать суммарную или остаточную деформацию, по которой определялся предел ползучести.

Пример условного обозначения  величины предела ползучести при  скорости ползучести 1·%/ч при температуре 600 °С:

При этом необходимо дополнительно  указать время испытания, за которое  была достигнута заданная скорость ползучести.

  Результаты испытания на ползучесть по каждому образцу записывают по форме, установленной стандартом.

 

4. Форма записи результатов испытания металлов на ползучесть.

 

 1. Материал:

 Наименование, марка (по  соответствующему стандарту).

 Химический состав.

Способ выплавки (тип печи) и размер слитка, заготовки.

Форма (прокат сортовой, прокат листовой, труба, отливка и т. д.).

Виды и режимы термообработки.

Механические свойства (предел прочности, предел текучести, удлинение, поперечное сужение, ударная вязкость, твердость).

Микроструктура и величина зерна.

2. Образцы:

Из какого места взят образец (расстояние оси образца от оси  слитка заготовки или изделия; продольный, поперечный).

Размеры расчетной части  образца (длина и диаметр поперечного  сечения в мм, до и после испытания, измеренные в помещении, где проводится испытание).

3. Аппаратура:

Тип установки для испытания.

Точность измерения температуры.

Точность измерения деформации (абсолютная).

4.Условия и результаты  испытаний:

Напряжение

Средняя скорость удлиннения на прямолинейном участке, %, ч

Колебания температуры образца  на протяжении испытания

Колебания температуры помещения  на протяжении испытания

Номер образца

Тем- пература испытания (номинальная),°С

Время нагрева

Время выдержки

пред- вари- тельное

полное

Удлиннение при нагружении

Удлиннение полное

Удлинение суммарное

Удлиннение упругое

Удлиннение остаточное

Про- должительность испытания, ч

Перепад температуры по длине  образца

ч

МПа

%

°С