Лаб_ работы по Сопромату часть 2

41

6.В чем заключается метод Бринелля?

7.В чем заключается метод Роквелла?

8.В чем заключается метод Виккерса?

9.Перечислите основные достоинства метода Виккерса.

10.Какие механические характеристики можно оценить по значениям твердости?

РАБОТА № 13 ИСПЫТАНИЯ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

1.Цель работы ознакомление с методикой испытаний при высоких температурах, проведение кратковременных испытаний и оценка влияния температуры на механические характеристики.

На механические характеристики материалов существенное влияние оказывает температура и время нахождения образца при высокой температуре. Поэтому, кроме обычных механических испытаний при высокой температуре, которые называются кратковременными, проводятся длительные испытания (на ползучесть, длительную прочность и релаксацию), где включается фактор времени.

2.Кратковременные испытания при высоких температурах. С повышением температуры, при которой производятся механические испытания,

характеристики прочности σ В , σТ , HВ снижаются, модуль упругости E

уменьшается, а характеристики пластичности δ и ψ увеличиваются. Для сталей в области температур 250 - 400°С имеет место аномалия изменения механических свойств, т.е. характеристики прочности возрастают, а характеристики пластичности снижаются, что объясняется явлением синеломкости (рис. 13.1).

42

Рис.13.1. Механические характеристики стали

при высоких температурах

Испытание на растяжение при высоких температурах проводится на универсальных испытательных машинах с применением специальных приспособлений для нагрева образца (рис. 13.2). В настоящей работе используется гидравлическая машина ГМC-50, описанная в работе 5. Образец 1 заворачивается резьбовыми головками в удлинители 2 и помещается внутрь электрической печи 3. Печь закрепляется на стойках испытательной машины 4 и для удобства установки образца может поворачиваться на осях 5. Температура образца измеряется с помощью двух термопар 6, прикрепленных к поверхности образца с помощью асбестового шнура. Одна из термопар используется для измерения температуры образца, вторая подключается к

контактному гальванометру и используется для регулировки температуры в печи. Грубая регулировка температуры производится путем изменения с

помощью автотрансформатора силы тока протекающего по нагревательному элементу печи. Тонкую регулировку осуществляет контактный гальванометр, имеющий два контактных устройства. При превышении верхнего предела температуры размыкается контакт-максимум и с помощью реле печь

43

отключается. При снижении температуры ниже нижнего предела замыкается контакт-минимум и печь включается вновь.

Рис.13.2. Приспособление и образец для испытаний

на растяжение при высоких температурах

Режим испытания регламентируется ГОСТом 9551-61, который предусматривает определение предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения и сужения после разрыва. После замера диаметра и

нанесения рабочей длины образец заворачивается в удлинители и вместе с термопарами помещается в печь. Для предотвращения окисления поверхности

44

образца время нагрева до температуры испытания не должно превышать одного часа. После достижения рабочей температуры перед испытанием рекомендуется выдержка 20 - 30 мин. для установления стационарного температурного режима по всему сечению образца.

Затем производится нагружение образца. Так как скорость нагружения

при высоких температурах оказывает значительное влияние на механические свойства, то ГОСТ 9651-61 рекомендует скорость перемещения подвижного захвата при испытании, выраженную в мм/мин., устанавливать равной 0,04 - 0,1 от расчетной длины образца или 0,1 от расчетной длины - при перемещении захвата вхолостую. После разрыва образца и охлаждения его в воде производится замер длины и диаметра шейки образца. В настоящей работе проводятся испытания при температурах 20° и 500°С, определяются σ В , δ и ψ и оценивается влияние температуры на эти характеристики.

Определение твердости при высоких температурах производится на обычных приборах твердости с применением приспособления для нагрева образца (рис. 13.3). В настоящей работе используется пресс Бринеля ПБМ, устройство которого описано в работе 12. Образец для замера твердости 2 с прикрепленной к нему термопарой 3 для замера и регулирования температуры помещается на столик 1 съемного приспособления. Электрическая печь 6 надевается сверху, и верхнее отверстие печи закрывается удлинителем 5, в который вставлен испытательный шарик 4 из жаропрочного материала.

Нагрев образца производится вне испытательной машины. После

выдержки при температуре испытания приспособление устанавливается на прессе Бринеля и удлинитель 5 закрепляется в штемпель прибора. Испытание проводится по методике, описанной в работе 12. Для замера диаметра отпечатка образец вынимают из печи и охлаждают до комнатной температуры.

В настоящей работе после измерения твердости образца при высокой температуре замеряют твердость при температуре 20°С и оценивают влияние температуры на твердость материала.

45

Рис. 13.3. Приспособление для испытаний на твердость

при высоких температурах

3. Испытания на ползучесть. Ползучестью называют рост деформаций с течением времени при постоянной нагрузке. Эти сравнительно небольшие деформации, накапливаясь в течение длительного времени, приводят к

недопустимым изменениям размеров элементов конструкций или даже к их разрушению. Целью испытаний на ползучесть является получение кривых ползучести в координатах "удлинение - время" с последующим вычислением механической характеристики - предела ползучести. На кривых ползучести (рис. 13.4) отмечаются три участка: 1) а-в - участок неравномерной и неустановившейся ползучести; 2) в-с - равномерной или установившейся ползучести с минимальной скоростью ползучести и 3) с-d - стадия разрушения,

где образование шейки приводит к ускорению роста деформаций и разрушению образца. Скорость ползучести характеризуется углом наклона кривой

ползучести на втором участке и измеряется относительным удлинением за час (1/час).

700

0,1/100

46

Пределом ползучести называют напряжение, которое при определенной

температуре вызывает в течение заданного промежутка времени относительную деформацию образца, равную допускаемой, или равномерную скорость ползучести, равную заданной. Обозначение предела ползучести сопровождается двумя индексами: верхним, показывающим температуру испытания, и нижним, где указывается в виде дроби заданная деформация и число часов, через которое эта деформация достигается, или заданная скорость ползучести. Например, σ означает напряжение, при котором достигается

относительная деформация, равная 0,1 через 100 часов нагружения при температуре 700°С, или σ +60010−6 означает напряжение, при котором установившаяся скорость ползучести равна 10-6/час при температуре 600°С.

Рис.13.4. Кривые ползучести в координатах: удлинение l - время τ

Методика испытаний на ползучесть регламентируется ГОСТом 3248-60.

Применяются цилиндрические	и плоские образцы. Основной	образец
(рис. 13.5) имеет диаметр d = 10	мм и расчетную длину l0 = 100 мм.	Иногда

используются удлиненные образцы с расчетной длиной l0 = 200 мм. Образец

47

имеет головки для крепления в захватах машины и установки приборов для замера деформаций.

Рис.13.5. Образец и схема машины ИП-2

для испытаний на ползучесть

Машина ИП-2. Машина ИП-2 для испытаний на ползучесть состоит ив четырех независимых друг от друга секций, в каждую из них входят механизм нагружения, нагревательное устройство с терморегулятором, устройство для измерения деформаций и система для измерения температуры. Схема

механизма нагружения и устройства для измерения деформаций отдельной секции приведена на рис. 13.5.

Образец 7 закрепляется в захватах 12 и 14. Верхний захват 12 посредством шарнира 9 связан с подъемным механизмом 10, а нижний захват 14 с помощью вынимающейся чеки 4 - с механизмом нагружения образца.

48

Нагружение образца осуществляется грузовым рычагом 3 с отношением плеч 1:50, на котором укрепляется подвеска со сменными грузами 1. С помощью подъемного механизма, приводящегося в движение рукояткой 11 и цепью,

нагрузка передается на образец и поддерживается горизонтальное положение грузового рычага. Демпфер 2 обеспечивает плавное приложение нагрузки.

Деформация образца измеряется с помощью обычных индикаторов 15, связанных с образцом посредством рычажного устройства состоящего из тяг 5, 6 и передаточных рычагов 16. Нагревательная печь 13 может подниматься вверх и открывать свободный доступ к захватам для установки образца. Грузы 8 уравновешивают печь в нужном положении.

Порядок проведения испытания. После замера образец устанавливается в захватах машины, и на него закрепляются термопара и измеритель деформации. Печь опускается, и выход из нее закрывается асбестом. После нагрева до

рабочей температуры и выдержки при ней в течение часа к образцу плавно прикладывают предварительную нагрузку, которая не должна вызывать в образце напряжения более 1 кг/мм2, для проверки стабильности работы измерителя деформаций и терморегулятора печи. Затем плавно нагружают образец до заданной нагрузки. Через определенные промежутки времени

записываются показания измерителей деформаций и по среднему из показаний левого и правого индикатора строится первичная кривая ползучести (рис. 13.4).

Для определения предела ползучести изотермическим методом испытывается серия образцов (не менее четырех штук) при одной заданной температуре на четырех уровнях напряжений. По результатам испытаний строятся первичные кривые ползучести. При определении предела ползучести по допускаемой

скорости путем обработки первичных кривых ползучести находят средние скорости на прямолинейных участках кривых. Затем строят график

зависимости напряжения от скорости ползучести в логарифмической системе координат. Обычно этот график удается аппроксимировать прямой. Путем

экстраполяции на заданную скорость ползучести и определяется предел ползучести.

σ500830

49

Для определения предела ползучести по заданной суммарной деформации при обработке первичных кривых ползучести определяют величины относительных суммарных деформаций, соответствующих заданной длительности испытания, которая назначается в зависимости от срока службы изделия. По этим данным в логарифмической системе координат строится график зависимости напряжений от деформации, по которому путем экстраполяции на заданную деформацию определяется предел ползучести.

4. Испытание на длительную прочность. Свойство материала

сопротивляться разрушению под действием длительно приложенной постоянной нагрузки называют длительной прочностью. Оно оценивается характеристикой, называемой пределом длительной прочности - это напряжение, приводящее при данной температуре к разрушению детали через определенный промежуток времени. Обозначение предела длительной прочности сопровождается двумя индексами: верхним, обозначающим температуру испытания в °С, и нижним, указывающим заданную продолжительность испытания до разрушения в часах . Например,

обозначает предел длительной прочности при температуре 830°С и разрушении через 500 часов.

Методика испытаний на длительную прочность регламентируется ГОСТом 10145-62. Эти испытания аналогичны испытаниям на ползучесть, но проводятся при больших напряжениях и, следовательно, больших скоростях ползучести; при этом деформации не измеряются, а фиксируется время

нахождения образца под нагрузкой от начала испытания до момента его разрушения. При испытаниях на длительную прочность могут использоваться образцы и машины для испытаний на ползучесть. На практике чаще пользуются укороченными образцами ( l0 = 5d ) и специальными настольными машинами для испытаний на длительную прочность (ВП-8; АП-3; ЦКТИ-750), где отсутствуют устройства для замера деформаций.

Испытания на длительную прочность проводятся при одной температуре и трех - четырех уровнях напряжений. По полученным при испытаниях данным

50

о времени до разрушения образца при установленной нагрузке строится зависимость напряжения от времени разрушения в логарифмических координатах. Путем, экстраполяции этой зависимости на заданный срок службы определяют предел длительной прочности. Обычно эту зависимость в

логарифмических координатах удается аппроксимировать прямой

σдп = aτ −b ,

где σ дп - предел длительной прочности; τ - время до разрушения, час; a и b -

коэффициент и показатель, зависящие от материала и температуры испытания.

При контрольных испытаниях с целью увеличения производительности машины проводятся испытания одновременно нескольких образцов, закрепляемых в захватах машины последовательно (цепочкой). На разрушенных образцах также определяются относительное удлинение δ и

относительное сужение ψ.

5. Испытание на релаксацию. Релаксацией напряжений называют процесс

самопроизвольного снижения напряжений в нагруженном образце при неизменном значении его деформации, равной начальной. Деформация образца состоит из упругой составляющей ε у, подчиняющейся закону Гука, и

пластической ε п. Тогда при релаксации напряжений

εо = ε у + εп = Const ,

где ε о - начальная деформация.

Уменьшение напряжений при релаксации объясняется постепенным нарастанием доли пластической деформации вследствие явления ползучести за счет уменьшения упругой деформации.

Испытания на релаксацию проводят на специальных машинах или приборах, которые поддерживают постоянной деформацию образца и позволяют измерять действующие на него нагрузки. По результатам испытания образца строят кривую релаксации, обычно в полулогарифмических координатах (рис. 13.6). На кривой релаксации отчетливо видны два этапа: