Особенности и стандарты испытаний металлов на длительную прочность

Сегодня инженерные конструкции работают в условиях, которые еще недавно казались немыслимыми, поэтому особое значение приобретает способность материалов сохранять свои свойства при экстремальных температурах и постоянных нагрузках. Лопатки газовых турбин, котлы и трубопроводы на тепловых электростанциях, элементы авиационных двигателей и реакторов — все эти системы функционируют при высоких температурах и подвергаются воздействию постоянных статических сил в течение многих тысяч часов. В таких условиях обычные материалы теряют прочность, а конструкции могут подвергаться медленной, но прогрессирующей деформации, которая в конечном итоге приводит к катастрофическому разрушению.

Именно поэтому испытания металлов на длительную прочность и ползучесть являются критически важными, долгосрочными тестами, позволяющими прогнозировать срок службы жаропрочных материалов. Эти испытания позволяют инженерам и конструкторам точно определить ресурс оборудования и выбрать материалы с необходимым запасом прочности.

Природа ползучести и длительной прочности

Высокая температура кардинально меняет физико-механические свойства металлов и сплавов. При нагреве снижается предел текучести — точка напряжения, при которой упругая деформация переходит в необратимую пластическую.

Два ключевых явления, изучаемых в условиях постоянной нагрузки и высокой температуры:

Ползучесть – это свойство материала медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки, особенно при повышенных температурах. Этот процесс, который развивается под постоянной механической нагрузкой и постоянной высокой температурой, всегда ведет к разрушению материала.

Длительная прочность – это сопротивление материала механическому разрушению под действием длительно приложенной постоянной нагрузки при высокой температуре. Испытания на длительную прочность и ползучесть — это, по сути, методы определения способности материала сопротивляться медленной деформации и разрушению.

Кривая ползучести. СТАДИИ ДЕФОРМАЦИИ

Ползучесть материалов описывают с помощью кривой ползучести, которая представляет собой зависимость деформации образца от времени при постоянной температуре и приложенной нагрузке. Анализ этой кривой позволяет выделить три основные стадии деформации:

1. Неустановившаяся ползучесть (первая стадия). Участок, где происходит постепенное уменьшение скорости возрастания деформации. На этом этапе также происходит мгновенная упругая деформация при приложении нагрузки.
2. Установившаяся ползучесть (вторая стадия). На этом участке деформация происходит с постоянной скоростью роста. Именно по этой стадии, как правило, определяют предел ползучести.
3. Ускоряющаяся ползучесть (третья стадия). Эта стадия отражает постепенное нарастание скорости деформации, которое объясняется накоплением микроскопических трещин и прогрессирующим разрушением образца. По этому участку определяют предел длительной прочности.

Результаты испытаний: предел ползучести и предел длительной прочности

В результате длительных испытаний при постоянной нагрузке и температуре определяют две основные характеристики.

Предел ползучести – это наибольшее условное растягивающее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенное время достигает заданной величины.

Предел длительной прочности – это наибольшее напряжение, не вызывающее разрушение материала при определенной температуре за установленное время испытания (срок службы).

Длительная прочность большинства материалов снижается с повышением температуры и зависит от химического состава, микроструктуры, состояния поверхности образцов и окружающей среды.

СТАНДАРТЫ ИСПЫТАНИЙ

Точное и воспроизводимое проведение испытаний на длительную прочность и ползучесть строго регламентируется государственными стандартами.

ГОСТ 10145-81. Метод испытания на длительную прочность

Этот стандарт устанавливает метод испытания на длительную прочность черных и цветных металлов и сплавов при температуре до 1200 °С.

Сущность метода заключается в доведении образца до разрушения под действием постоянной растягивающей нагрузки при постоянной температуре.

В результате испытаний определяют предел длительной прочности (напряжение, вызывающее разрушение за определенное время) или устанавливают контрольную характеристику – время до разрушения при заданном напряжении. После разрушения образца также определяют относительное удлинение и относительное сужение образца.

Продолжительность испытания устанавливается для каждого материала в зависимости от его назначения. Для определения пределов длительной прочности рекомендуется проводить испытания продолжительностью 50, 100, 500, 1000, 3000, 5000, 10000 часов, если не требуется другая база испытания.

В процессе образец нагревают до заданной температуры (время нагрева должно быть не более 8 ч) и выдерживают при этой температуре не менее 1 ч.

ГОСТ 3248-81. Метод испытания на ползучесть

Этот стандарт устанавливает метод испытания на ползучесть черных и цветных металлов и сплавов при температуре до 1200 °С.

Сущность метода заключается в том, что образец подвергается воздействию постоянной растягивающей нагрузки и постоянной температуры при фиксировании деформации во времени.

Результатом испытания является определение предела ползучести — напряжения, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышает заданной величины.

Испытания на ползучесть являются длительными, минимальное время обычно составляет 3000–4000 часов.

Для обеспечения постоянства напряжения в образце (которое может повышаться из-за сужения образца) необходимо использовать специальные устройства, автоматически уменьшающие нагрузку по мере удлинения образца.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДЛИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Проведение длительных высокотемпературных испытаний требует использования сложного, специализированного и автоматизированного оборудования, способного поддерживать постоянную нагрузку и температуру на протяжении многих тысяч часов.

Испытательные машины для длительных статических тестов

Для этих целей используются специализированные испытательные машины, соответствующие ГОСТ 28845-90.

Компания Эталон-Профит разрабатывает и производит электромеханические машины X-TIME для длительных статических испытаний (длительная прочность, ползучесть и релаксация напряжений).

Машины X-TIME могут быть выполнены в различных конструктивных модификациях, отличающихся методом нагружения:

1. Рычажное нагружение (грузовое или пружинное).
2. Электромеханическое нагружение (с помощью сервопривода).
3. Непосредственное прямое нагружение (с помощью грузов).

Эти установки предназначены для воспроизведения нормированных значений силы и температуры, а также измерения перемещений (деформаций) и фиксации времени, что позволяет исследовать свойства черных и цветных металлов, а также пластмасс и композитов.

Системы температурных испытаний

Поскольку испытания проводятся при постоянной высокой температуре, ключевым элементом является система температурных испытаний (СТИ).

Эталон-Профит производит высокотемпературные электрические печи серии СТС (например, распашной цилиндрический шкаф) и СТС-М (универсальная квадратная электропечь), предназначенные для испытаний при нагреве. Эти системы используются для тестирования металлов и керамики в условиях приложения растягивающих, сжимающих и изгибающих статических напряжений.

Печи интегрируются в рабочую зону испытательной машины. Внутри рабочей камеры печи формируется равномерный температурный фон, а для фиксации раскаленных образцов применяются специализированные захваты, изготовленные из жаростойких сплавов.

Измерение деформаций

Для точного измерения деформаций в процессе ползучести требуется использование высокотемпературных экстензометров. Машины X-TIME могут комплектоваться экстензометрами для измерений ползучести образцов.

Контакты Эталон-Профит 8 (4932) 57-43-34 , office@etalon-profit.ru