Испытания на прочность при высоких температурах

Все материалы, предназначенные для работы при повышенных температурах, подвергаются испытаниям на жаропрочность. Критериями оценки жаропрочности являются: кратковременная прочность, длительная прочность, ползучесть. Две первых характеристики учитывают сопротивление материала разрушению при повышенных температурах, третья – сопротивление пластической деформации.

Кратковременная прочность определяется путем проведения обычных испытаний на растяжение разрывных образцов. Отличие только в том, что образец помещен в печь и его испытание производиться при какой-то заданной температуре. Обозначается кратковременная прочность s_в^t, например, s_в^300°=343 МПа (35 кгс/мм²), s_в^300° = 274,4 МПа (28 кгс/мм²) и т.д.

Длительная прочность. При определении длительной прочности образцы помещают в печь и нагружают какой-либо постоянной нагрузкой. По результатам испытаний нескольких образцов строят кривые изменения прочности при данной температуре (рис. 1.2). Прочность существенно зависит от времени испытания: s₁>s₂>s₃>s₄, но t₁<t₂<t₃<t₄.

Рис. 1.2. Кривые изменения прочности при данной температуре:
а – кривая длительной прочности при 500°С; б – типовая кривая ползучести;
в – кривая усталости

Пределом длительной прочности называют напряжение s_t^t, которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время.

Прочность в течение малого времени (так называемая «минутная», τ≈30-60 мин) требуется в оборонной промышленности, часовая – в авиации, например = 200 МПа. Для промышленных и сельскохозяйственных установок требуется не очень высокое значение прочности, но в течение нескольких лет (σ₄; рис. 1.2,а).

Ползучестью называют свойство металлов медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.

При испытании образцов на ползучесть (крип) их помещают в печь с заданной температурой и прикладывают какую-либо постоянную нагрузку. Деформации измеряют индикаторами с точностью 0,001 мм.

Для большинства металлов при обычных температурах при действующем напряжении s>s_уп ползучесть не наблюдается. Наоборот, за счет наклепа металл даже будет упрочняться. Но если температура испытания образца такова, что уже наблюдаются разупрочняющие процессы (отдых, коагуляция фаз, а особенно рекристаллизация), то в этом случае при s>s_уп будет наблюдаться ползучесть.

Ползучесть происходит только в тех случаях, когда приложенное напряжение (от постоянной нагрузки) будет больше предела упругости металла при данной температуре. При деформации нагретого образца имеют место два прямо противоположных процесса: упрочнение (наклеп), вызванное пластической деформацией, и разрушение, как результат процессов разупрочнения. Ползучесть будет развиваться в случае преобладания второго процесса.

Скорость деформации при постоянной нагрузке обычно выражается кривой, состоящей из трех участков (рис. 1.2,б). Участок ОА – упругая и пластическая деформации в момент приложения нагрузки. На участке АВ металл деформируется с неравномерной скоростью ползучести. Участок ВС характеризует установившуюся равномерную скорость ползучести и СD – ускоренного разрушения, связанный с образованием шейки.

Пределом ползучестиназывают напряжение, которое за определенное время при данной температуре вызывает заданную суммарную деформацию или скорость деформации. Предел ползучести обозначают s_d/t^t, где t – температура, °С; d – суммарное удлинение, %; t – время, ч.

Например: s_1/1000⁵⁰⁰ = 250 МПа (25 кгс/мм²) означает, что предел ползучести металла при 1%-ной деформации за 1000 ч при температуре испытания 500°С составляет 250 МПа. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например 0,1 за 10⁴ или за 10⁵ ч. При определении предела ползучести допуск на удлинение составляет от 0,1 до 1% за 100, 300, 500 или 1000 ч. В некоторых случаях, например для жаропрочных материалов, вплоть до 100000 ч. Задаваемая скорость ползучести в большинстве случаев колеблется в пределах 10^-3…10^-6 %/ч, а чаще всего 10^-4…10^-5 %/ч.

Для оценки поведения металлов и сплавов в условиях ползучести проводят различные испытания. Обычно в этих испытаниях реализуются условия высокотемпературной и диффузионной ползучести, так как их ведут при температурах выше 0,4…0,6Т_пл, соответствующих рабочим температурам жаропрочных металлических материалов. В то же время эксплуатация многих узлов и изделий предусматривает длительную их службу при низких температурах. При этом в таких конструкциях, как емкости и резервуары для транспортировки и хранения криогенных жидкостей, деформация, обусловленная ползучестью, за счет значительного запаса упругой энергии в системе (узел-изделие; изделие в целом) может способствовать значительному росту напряжений в отдельных зонах конструкции. Таким образом, эксплуатация вышеуказанных изделий в условиях низких температур значительно увеличивает опасность хрупкого разрушения.