Устройство для испытания сопротивления материалов термической усталости

Предлагается устройство для выполнения термоциклических испытаний материалов, выполненное в виде жесткой рамки со средствами закрепления в ней испытуемого образца. Для получения в процессе испытаний заданной величины упругопластической деформации рамка должна быть изготовлена из материала, коэффициент линейного расширения которого отличается от такового у контролируемого образца. Главным достоинством устройства является простота его конструкции и возможность изготовления и применения, не требующие специальных условий.

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. 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.П - 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 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, прежде всего, для исследовательских работ и испытаний индивидуальных образцов, но малопригодна для выполнения массовых испытаний.

Известно техническое решение (М.Л.Хенкин, И.Х.Локшин. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М. Машиностроение, 1974, с.17), в котором реализован принцип, заключающийся в том, что испытуемый образец выполняет одновременно функции устройства для испытаний. Устройство представляет собой открытую рамку из исследуемого материала, в прорезь которой вводится нагружающий элемент. Устройство решает проблему массового контроля, т.к. позволяет единовременно проводить термическую обработку и измерения на большом количестве образцов. Одновременно оно обеспечивает расширение функциональных возможностей контроля, т.к. исследуемые образцы кроме измерений деформации и напряжений могут быть подвергнуты исследованию различными физико-химическими методами.

Ближайшим техническим решением является устройство для испытания сопротивления материалов термической усталости (Р.А.Дульнев, П.И.Котов. Термическая усталость металлов, М., Машиностроение, 1980, с.22), включающее раму, выполненную с возможностью изменения ею степени стеснения термической деформации образца, снабженную на двух противоположных стенках средствами закрепления в ней головок испытуемого образца, и нагреватель, включающий рабочую камеру и допускающий изменение температуры в ней.

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) Невозможность производить исследования 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, осуществляющая стеснение термической деформации образца в ходе изменения его температуры, находится вне нагревателя и сохраняет неизменной свою температуру в ходе испытаний. Регулирование же упругопластической деформации контролируемого образца производят с помощью сменных упругих элементов, размещенных между образцом и нагружающей рамой, а также изменяя продолжительность температурного диапазона нагрева и охлаждения образца, т.е. сама рама не принимает участия в регулировании и принимать не может.

В предлагаемой полезной модели для устранения указанных недостатков в устройстве для испытания сопротивления материалов термической усталости, включающем раму, выполненную с возможностью изменения степени стеснения ею термической деформации образца, снабженную на двух противоположных стенках средствами закрепления в ней головок испытуемого образца, и нагреватель, включающий рабочую камеру и допускающий изменение температуры в ней, рама выполнена из материала с коэффициентом линейного расширения (_ср) близким к нулю или меньшим, либо большим, чем у материала образца, в габаритах, допускающих ее размещение внутри рабочей камеры нагревателя, при этом профиль и толщина сечения стенок рамы выполнены обеспечивающими полную жесткость механического нагружения образца независимо от величины _ср материала, используемого для их изготовления.

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. В предложенном техническом решении рама помещена в нагреватель и имеет в каждый момент туже температуру, что и испытуемый образец. Однако будучи выполнена из подобранного материала с коэффициентом термического расширения, отличающимся от материала образца, рама испытывает в ходе изменения температуры термическую деформацию, отличающуюся от термической деформации образца (большую или меньшую). 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.

Сущность технического решения состоит в следующем. Испытания сопротивления материала термической усталости включают периодический нагрев и охлаждение при условии заданной жесткости системы нагружения, благодаря чему в образце создается определенная величина упругопластической деформации () в цикле. Для построения зависимости долговечности (числа циклов до разрушения N_p) от величины упругопластической деформации , с целью установления сопротивления материала термоусталости, испытания выполняют при нескольких (обычно трех) уровнях жесткости системы. В известном устройстве для этого стенки рамы, несущие средства крепления головок образца, выполнены в виде упругих элементов (мембран) и предусмотрена возможность их смены. 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.

Благодаря предложенному техническому решению устройство для испытаний становится автономным и легко перемещаемым. Абсолютно жесткую раму (С), пример которой показан на чертеже, в двух противоположных стенках которой в захватах закреплены головки образца, в соответствии с программой термоциклических испытаний периодически вводят то в рабочую камеру нагревателя, то в пространство для охлаждения. Этим пространством для охлаждения может быть и сама нагревательная камера, если программа предусматривает программное уменьшение температуры в камере или принудительное охлаждение рабочего объема, например, сжатым воздухом. Если по условиям испытаний степень стеснения должна быть близка к абсолютной, то используют раму, выполненную из материала с почти нулевым коэффициентом термического расширения (_ср). В этом случае в цикле нагрева и охлаждения вся термическая деформация материала образца ^терм переходит в упругопластическую деформацию образца . Если же упругопластическая деформация должна составлять заданную часть от термической деформации ^терм, то раму следует выполнять из подобранного материала, коэффициент линейного расширения которого меньше, чем у испытуемого образца при условии, что образец должен подвергаться сжатию при нагреве и растяжению при охлаждении. Для осуществления же растяжения образца при нагреве и сжатия при охлаждении с заданной величиной упругопластической деформации рама должна быть выполнена из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у испытуемого образца.

Устройство работает следующим образом. Головки образца закрепляют в стенках рамы, выполненной из материала, обеспечивающего требуемую величину упругопластической деформации при испытаниях. Величину можно регулировать с помощью интервала нагрева T=(T_max-T_min), т.к. термическая деформация ^терм=_ср(T_max-T_min), при бесконечной жесткости системы нагружения =^терм. Однако при испытаниях конкретных материалов T_max соответствует рабочей температуре изделия и она должна поддерживаться при испытаниях. Поэтому варьировать таким способом не представляется возможным и тогда следует воспользоваться предлагаемым техническим решением, а именно: подобрать для рамы материал с подходящим _ср^рама так, чтобы =(_ср^{образца}-_ср^рама)(T_max-T_min). Необходимость разработки предложенного устройства была вызвана проблемами испытаний жаропрочных никелевых сплавов для турбинных лопаток. У этих материалов _ср^{образца}15×10^-6 град^-1, а испытания проводят при T_min100°С и T_max1000°С При абсолютно жестком нагружении =^терм=1.35% раму изготавливали из кварца или инвара, имеющих _ср0. Чтобы получить =0.9%, раму выполняли из молибдена, имеющего _ср=4.6×10^-6 град^-1 , =0.7% - из титана с _ср=7.2×10^-6 град^-1 , а =0.3% - из стали с _ср=11.5×10^-6 град^-1 . Заправленную раму (с установленным образцом) или несколько рам, собранных в кассету, закрепляли в подающем механизме возвратно-поступательного или дискового типа, размещенном около нагревателя или непосредственно на нем. После установления заданной температуры T_max в нагревателе и T_min в охладителе осуществляли подачу образцов в нагреватель и в холодильник по программе испытаний. Температуру образцов в процессе испытаний отслеживали и регистрировали с помощью термопар, приваренных к образцам или рамам. В определенные моменты, установленные программой испытаний, раму с образцом, не разгружая его, переносили 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 возвращали в цикл испытаний для их продолжения.

Технические результаты, достигаемые благодаря предложенному техническому решению состоят в следующем:

1) Повышается производительность контроля благодаря возможности одновременного проведения испытаний партии образцов.

2) 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.

3) 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.

4) 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.

5) 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.

Устройство для испытания сопротивления материалов термической усталости, включающее раму, выполненную с возможностью изменения ею упругопластической деформации образца, со средствами закрепления головок испытуемого образца на двух противоположных стенках, и нагреватель, включающий рабочую камеру и допускающий изменение температуры в ней, отличающееся тем, что рама выполнена из материала с коэффициентом линейного расширения, близким к нулю или меньшим, либо большим, чем у материала образца, в габаритах, допускающих ее размещение внутри рабочей камеры нагревателя, при этом профиль и толщина сечения стенок рамы выполнены с возможностью ими обеспечить полную жесткость механического нагружения образца независимо от величины _ср материала, используемого для их изготовления.