3.3. Ползучесть

Основные характеристики ползучести для конструкционных материалов, применяемых в турбиностроении, обычно получают при испытании призматических (цилиндрических) образцов на растяжение при постоянной нагрузке Р. При испытаниях измеряют удлинение образца на базе l в зависимости от времени t от момента нагружения. Температуру Т при испытании поддерживают постоянной. В результате испытаний партии образцов при разных начальных напряжениях σ = P/F₀ и одинаковой температуре получают серию первичных кривых ползучести (рис. 3.6).

Час

Рис.3.6. Первичные кривые ползучести

Если испытание каждого образца удается довести до его разрушения, то одновременно получают и характеристики длительной прочности (звездочками отмечены моменты разрушения). Как правило, кривые ползучести определяют для нескольких значений температуры Т.

Силовой деформацией называется разность между полной и температурной деформацией.

Относительную силовую деформацию можно записать в виде :

(3.11)

где ε^е = σ/Е — упругая деформация, возникающая в момент нагружения;

ε^р — пластическая деформация (кратковременная), которая также возникает в момент нагружения, если напряжение превышает предел упругости материала;

ε^с — деформация ползучести.

Первые две составляющие деформации рассмотрены ранее. Зависимость третьей составляющей ε^с от времени имеет обычно три характерных участка (рис. 3.7), соответствующие стадиям ползучести I, II и III.

Рис. 3.7. Кривая ползучести

На стадии I ползучесть происходит с уменьшающейся скоростью , стремящейся к концу периода к некоторому предельному значению . Стадия II характеризуется постоянной скоростью ползучести . Наконец, на стадии III скорость ползучести начинает расти до момента разрушения t=t_p (состояние разрушения отмечено звездочкой).

На стадиях I и II деформация образца — равномерна по его длине, плошадь поперечного сечения мало отличается от начального значения.

На стадии ползучести III на образце обычно (но не всегда) образуется местное утонение (шейка) аналогично кратковременному деформированию. При образовании шейки ползучесть протекает при увеличивающихся напряжениях, так как испытания проводятся при постоянной нагрузке Р, а площадь сечения образца уменьшается с развитием шейки. Вторая причина увеличения скорости ползучести на стадии III — появление микротрещин, их подрастание, слияние и распространение на все сечение образца.

Для аналитического представления кривых ползучести пользуются эмпирическими зависимостями, связывающими деформацию ползучести с основными параметрами (временем, напряжением и температурой)

(3.12)

Из многочисленных зависимостей вида (3.12) рассмотрим наиболее распространенную

(3.13)

(3.14)

(3.15)

где v — скорость ползучести на стадии II; σ — напряжение, при котором проводятся испытания; А, п — параметры зависящие только от температуры Т; а,р — параметры, зависящие от σ и Т.

Иногда можно принять параметры а и р, зависящими только от температуры, а параметр n — постоянным. Для зависимости А от температуры Т справедлива полуэмпирическая формула

(3.16)

где A₀, ΔН— постоянные; Т_о — абсолютная температура.

Когда аир зависят только от температуры и не зависят от напряжения, функция Ω(t) — едина для всех кривых ползучести, полученных при фиксированной температуре. При малой длительности испытаний для Ω(t) применимы и иные, чем (3.15) зависимости, например . В этом случае установившегося участка II не существует. Зависимости (3.13) и (3.14) справедливы, однако v не определяет минимальную скорость ползучести. Все постоянные при фиксированной температуре величины А, п, а, р определяются обработкой первичных кривых ползучести методом наименьших квадратов.

Аппроксимирующие зависимости типа (3.13)—(3.15) не описывают стадии ползучести III. Они служат для экстраполяции деформационных зависимостей на области изменения определяющих параметров (напряжений, температур, времени), выходящих за пределы изменения этих параметров при испытаниях. Подобная экстраполяция совершенно необходима в тех случаях, когда испытываемый материал предназначен для оборудования, рассчитанного на длительный срок эксплуатации. Обычно длительность испытаний материала составляет от 2 до 10 тыс. ч. Стационарные турбины должны быть рассчитаны на ресурс до 10⁵ — 2.10⁵ ч. Поэтому материалы обычно испытывают при напряжениях, превышающих значения напряжений в деталях оборудования. Скорость ползучести при испытаниях соответственно значительно больше, чем при эксплуатации, а время до разрушения t_p значительно меньше, чем ресурс деталей.

Напряжение и температура оказывают значительное влияние на скорость ползучести. С ростом σ скорость ползучести увеличивается по степенному закону (3.14), причем обычно 2 < п < 10. Иногда п выходит за эти пределы. При невысоких температурах и умеренных напряжениях ползучесть не обнаруживается. При повышенных температурах скорость ползучести резко возрастает с ростом температуры — по показательному закону (3.16).

Сопротивление (предел) ползучести определяется как напряжение, вызывающее некоторую деформацию ползучести ε^с за время t при температуре Т.

В условиях высоких температур следует рассчитать удлинение лопаток Δl(t), вызванное ползучестью, определить соответствующее уменьшение радиальных зазоров на периферии лопаток и произвести расчет лопаток на длительную прочность.

Деформация ползучести на оси лопатки при стационарном режиме согласно (3.13)

где σ(z) — растягивающее напряжение в поперечном сечении.

Удлинение лопатки — осевое смещение вершины лопатки вследствие ползучести — получим в виде

(3.17)

Для произвольного распределения σ(z) и переменной температуры интеграл в выражении (3.17) определяется численно.

Ползучесть роторов ЦВД-ЦСД ПТ представлена на рис.

Проявлением ползучести металла корпуса паровых турбин является его коробление. Коробление корпусов возникает после их длительной эксплуатации в условиях повышенных и неравномерных температур корпуса [КостюкДИП2007]. Геометрические последствия коробления корпусов ПТ представлены на рис.

Ползучесть металла вызывает также релаксацию напряжений в предварительно нагруженных деталях, например в высокотемпературных крепежных деталях.

В результате совместного воздействия малоцикловой усталости (термоциклирования), ползучести, а также в результате необратимых изменений в кристаллической структуре никелевых жаропрочных сплавов через 20000-30000 часов в рабочих лопатках ГТУ может возникать так называемое выкрашивание металла в области входной - выходной кромок. В месте дефекта металл имеет крупнозернистую структуру.

Рис. Рабочие лопатки ГТ с разрушениями в области кромок.

Для рабочих лопаток газовых турбин характерны высокотемпературные коррозионно-эрозионное повреждение рабочих лопаток. Этот вид исчерпания ресурса характерен при использовании топлива с высоким содержанием серы и ванадия [Гецов].

Кромки в этом случае имеют следы эрозионного износа, а поверхность профильной части лопатки имеет коррозионные пятна.