CC BY
32
УДК 620.105: 620.1.08
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЯ МЕДНЫХ СПЛАВОВ В ТЕМПЕРАТУРНОМ ИНТЕРВАЛЕ ИХ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
О.Н. Хорошилов, проф., д.т.н., Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков
Аннотация. Разработана методика определения деформации и скорости ползучести медных сплавов в температурном интервале формообразования заготовок в машине непрерывного литья. Методика позволяет повысить точность определения реологических характеристик за счет снижения скорости нагрева образцов по мере повышения их температуры.
Ключевые слова: медные сплавы, деформация ползучести.
РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ВИПРОБУВАННЯ М1ДНИХ СПЛАВ1В У ТЕМПЕРАТУРНОМУ 1НТЕРВАЛ1 1Х ФОРМОУТВОРЕННЯ
О.М. Хорошилов, проф., д.т.н., УкраТнська шженерно-педагопчна академ1я, м. Харкчв
Анотаця. Розроблено методику визначення деформацИ' та швидкост1 повзучост1 м1дних сплав1в у температурному Штервал1 формоутворення заготовок в машин! безперервного лит-тя. Методика дозволяе тдвищити точтсть визначення реолог1чних характеристик за раху-нок зниження швидкост1 нагр1ву зразюв у м1ру тдвищення гх температури.
Ключов1 слова: м1дт сплави, деформащя повзучост1.
DEVELOPMENT OF COPPER ALLOY TEST METHODS WITHIN THE TEMPERATURE RANGE OF THEIR FORMING PROCESS
О. Khoroshilov, Prof., D. Sc. (Eng.), Ukrainian Engineer-Pedagogical Academy
Abstract. A method for determination of deformation and the creep speed of copper alloys within the temperature range of forming blanks in a continuous casting machine is developed. The technique makes it possible to improve the accuracy of rheological properties by reducing the heating rate of samples while their temperature increases.
Key words: copper alloys, deformation of creep. Введение
В настоящее время зачастую исследование реологического состояния металлов и сплавов в основном направлено на определение деформации ползучести в температурном интервале эксплуатации конструкционных материалов. Эти исследования проводятся для оценки сроков эксплуатации.
На сегодняшний день возникла необходимость получения информации о реологическом состоянии непрерывно литых заготовок
из медных сплавов в температурном интервале их формообразования. Это позволит оценить:
- влияние технологических параметров процесса непрерывного литья на реологическое состояние заготовок;
- влияние реологических параметров заготовки на механические свойства заготовок.
Для получения адекватных зависимостей необходимо повысить точность экспериментальных данных при испытаниях исследуемых сплавов в температурном интервале формообразования.
Анализ публикаций
В работах [1, 2] решена задача определения таких реологических показателей как деформация ползучести и длительная прочность испытуемых образцов в температурном интервале эксплуатации конструкционного материала, который соответствует интервалу (0,3-0,5) от температуры ликвидуса (Т^). Обычно эти показатели являются исходными данными для определения сроков эксплуатации конструкционных материалов, находящихся при конкретных температурах и напряжениях [3, 4].
В работе [5] показано, что формообразование при непрерывном литье происходит, когда сплав находится в вязком состоянии, что соответствует температурному интервалу -(0,9-0,95)Т^ В данной работе определено влияние параметра повреждаемости, который является производной от деформации ползучести, на механические характеристиками заготовок. Кроме того, в работе получены зависимости между параметром повреждаемости заготовки и технологическими параметрами процесса непрерывного литья.
В работе [6] показано, что при определении деформации ползучести исследуемых сплавов в температурном интервале (0,9-0,95)Т, происходит снижение точности показателей деформации ползучести образцов вследствие значительного увеличения скорости ползучести. Целью данной работы было усовершенствование испытательной машины АИМА 5-2 для испытания образцов в температурном интервале (0,9-0,95)Т^
Причиной снижения точности определения деформации и скорости ползучести, описанной в работе [6], является превышение температуры на образцах перед их испытанием вследствие использования только одной скорости нагрева образцов. Это послужило причиной разработки методики по определению деформации ползучести в температурном интервале (0,9-0,95)7^
Таким образом, для решения задачи повышения точности при определении деформации ползучести образцов необходимо решить комплексную задачу:
- использования усовершенствованной машины АИМА 5-2 для испытания образцов;
- разработки методики, позволяющей исключить перегрев образцов при их испытаниях.
Цель и постановка задачи
Целью работы является:
1. Разработать методику для повышения точности определения ползучести при испытаниях образцов из медных сплавов в температурном интервале (0,9-0,957 за счет уменьшения скорости нагрева образца по мере приближения его температуры к температуре испытаний.
2. Использовать усовершенствованное устройство для испытания образцов в температурном интервале (0,9-0,957 [6].
3. Разработать методику нагрева образцов с целью постепенного снижения скорости нагрева образцов по мере повышения их температуры.
Разработка методики
Для создания методики необходимо принять следующие допущения.
1. Исследуемые оловянные медные сплавы марок Бр О5Ц5С5, Бр О8Н4Ц2, Бр 010Ц2 имеют аналогичные реологические характеристики (скорость и деформация ползучести, прочностные свойства) как после его охлаждения в кристаллизаторе машины непрерывного литья до температуры (0,9-0,957, так и в образце после его нагревания до того же интервала температур.
2. Испытания образцов производится до их полного разрушения.
Для определения деформации ползучести заготовки, находящейся в температурном интервале формирования заготовки, необходимо температуру испытаний выдерживать в интервале (0,9-0,957.
Известно, что чем выше температура образца, тем сильнее изменяются его прочностные и реологические свойства, например, уменьшаются прочностные характеристики, но повышается скорость ползучести сплава. Поэтому для повышения точности экспериментальных данных целесообразно не превышать температуру испытаний и усовершенствовать конструкцию силовой оси машины АИМА 5-2 для испытания образцов с любой скоростью деформации. Поэтому испытание образцов производили
на усовершенствованной машине АИМА-5-2, представленной на рис. 1 [6]. Устройство предназначено для автоматического начала испытаний образцов и фиксации изменения деформации ползучести во времени, поскольку длительность испытаний при указанных температурах невелика вследствие высокой скорости деформации.
В температурном интервале (0,9-0,957 у медных сплавов даже при минимальном превышении температуры над температурой испытаний существенно изменяются реологические характеристики образца из исследуемого сплава, что приводит к снижению точности показателей ползучести.
Одним из важнейших условий определения достоверных реологических показателей, кроме указанной температуры формообразования заготовки, является напряжение в образце, которое должно соответствовать напряжению в заготовке при ее движении в кристаллизаторе машины непрерывного литья.
Для создания модели реологического состояния образцов для исследуемых сплавов, кроме температурного интервала (0,9-0,95)7^ необходимо иметь и интервал напряжений, действующий в поперечном сечении образцов.
Поэтому при испытаниях необходимо использовать минимальное и максимальное напряжения, которые возникают в заготовке при ее извлечении из кристаллизатора.
Максимальное напряжение возникает при преодолении силы трения покоя, которая в 1,5-1,7 раза превышает силу трения скольжения в паре «заготовка-графитовая втулка кристаллизатора». Минимальное значение в заготовке возникает при преодолении силы трения скольжения [5].
Согласно разработанной методике образцы до температуры испытания 1198-1218 К доводили в три этапа.
1-й этап. Образец нагревали со скоростью (1012) К/с до температуры (1023-1073) К;
2-й этап. Нагрев образцов вели со скоростью (3,0-3,5) К/с до температуры (1148-1173) К, что составляет 0,95 % температуры испытания.
3-й этап. Последующий нагрев образцов осуществляли со скоростью (1,0-1,5) К/с. Снижение скорости нагрева образца способствует выравниванию температуры по всему объему образца.
Далее испытание образца проходило в следующей последовательности.
1. Начало испытания образца 1 определяет блок сравнения температур 2 (рис. 1), и происходит оно в момент, когда разница между значениями температур на верхнем 3 и нижнем 4 уровнях базы образца будет находиться в интервале 7-10 К.
220 В
Рис. 1. Усовершенствованная машина для испытания образцов из медных сплавов в температурном интервале (0,9-0,95)7^
2. После этого на катушку 5 подается силовое напряжение 220 В, вследствие чего сердечник 6 втягивается в катушку 5 и освобождает отверстие 7.
3. Вертикальный штырь 8 соскальзывает вниз по отверстию 7, в результате между тягой «прямого нагружения» 9 с грузом 10 и опорой 11 образуется зазор величиной h.
Величина зазора h позволяет произвести испытание образца 1 до разрушения с любой скоростью деформации ползучести образца, находящегося в температурном интервале (0,9-0,95)7^ Величина зазора h задается с 10-кратным запасом от величины деформации
разрушения испытываемого образца, которая фиксируется экстензометром 12.
Образцы из исследуемых медных сплавов имели длину 200 мм с базой 100 мм, диаметром базы 10,0 мм, что соответствует ГОСТ 26007-86.
Результаты испытаний
Для получения конкретных результатов были проведены испытания бронзы марки Бр О5Ц5С5.
В результате испытаний были проведены:
- сравнительная оценка скоростей деформации ползучести (в) указанной бронзы при температуре эксплуатации конструкционных материалов: Т = 0,45т и температуре ее формообразования: Т = 0,92 Ть.;
- сравнительный анализ нагрева образцов по базовой и разработанной методике.
Было определено, что для температуры испытания указанной бронзы при Ти = 0,45т скорости деформации ползучести составляют при усилиях преодоления силы трения покоя в паре «заготовка - графит» - в = 4,95 10-6м/с и при усилиях преодоления силы трения скольжения - в = 4,9 10-6м/с.
При температуре испытаний Ти = 0,92т нагрузка, равная силе трения покоя, вызывает скорость деформации, равную в = = 3,3 10-2 м/с, а нагрузка, аналогичная усилию преодоления силы трения скольжения, -в = 1,6 10-2м/с. Из чего следует, что скорость деформации образцов при увеличении температуры от Т = 0,45Т до Т = 0,92^ увеличивается от 3,2-103 до 6,7-103 раз.
Кривые нагрева верхней и нижней частей образца по базовой и разработанной методике представлены на рис. 2.
Экспериментальные исследования показали, что превышение температуры испытаний на 25-30 °К увеличивает скорость ползучести в 1,5-2,5 раза, что снижает точность испытаний.
На рис. 2, а показана базовая схема нагрева образцов, которая реализуется в два этапа. На первом этапе в интервале времени t0...t\ происходит нагрев образцов до заданной температуры (Тз) со скоростью 10-12 °С/с.
0 /н
Время нагрева образца, / с Рис. 2. Температурные кривые, характеризующие нагрев экспериментальных образцов: 1, 2 - по базовой методике; 3, 4 - по предлагаемой методике
После этого в интервале времени /\.../2 происходит доведение объема образца до заданной температуры испытания (Тз). Общее время от начала нагрева до доведения образца до температуры испытаний определяется интервалом /0... /2.
На рис. 2, б показана схема изменения температуры образцов, которая была получена после применения трехступенчатой методики снижения скорости их нагрева. Общее время нагрева образцов находилось в интервале /0... /н.
Для наглядности из модели реологического состояния, описанной в работах [1, 2], выделим уравнение деформации ползучести и преобразуем его скорость ползучести
е = Р0 • а" • ехр(^Т) • /;
е = Р0 • а" • ехр^Т),
(1)
(2)
где е - деформация ползучести, м; в - скорость деформации ползучести, м/с; Т - тем-
а
0
/н
б
пература образцов, К; б - напряжение в поперечном сечении образцов, МПа; t - текущее время, с; Р0, k, п - эмпирические коэффициенты.
На основании показателей деформации ползучести, вызванных действием температуры, напряжением и временем действия напряжений в образце, определяем эмпирические коэффициенты с, р0, k, п .
При сравнении времени нагрева образцов по базовой и разработанной методикам получаем: время нагрева образцов по двум методикам отличается примерно на 5-10 %.
Таким образом, целесообразно применять разработанную методику для нагрева образцов, которая на 5-10 % повышает время нагрева, но позволяет нагревать образец без превышения заданной температуры испытания, что позволяет повысить точность определения реологических характеристик исследуемых медных сплавов.
Выводы
Разработана методика, исключающая перегрев образцов в температурном интервале (0,9-0,957 и позволяющая удерживать в и время испытаний в границах, которые максимально приближают показатели испытаний к реальным результатам.
Определено, что при повышении температуры испытания образцов от интервала (0,30,57 до интервала (0,9-0,957 В увеличивается от 3,2-103 до 6,7-103 раз.
Это свидетельствует о том, что для испытаний исследуемых сплавов необходимо использовать усовершенствованную машину АИМА 5-2, которая позволяет проводить испытания при высоких скоростях деформации ползучести.
Разработанная методика может быть использована для измерения ползучести и других
сплавов, находящихся в температурном интервале (0,9-0,957.
Литература
1. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов кон-
струкций / Ю.Н. Работнов. - М.: Наука, 1966. - 752 с.
2. Качанов Л.М. Основы механики разруше-
ния / Л.М. Качанов. - М.: Наука, 1974. 312 с.
3. Гигиняк Ф.Ф. Оценка вязко-пластичных
свойств титановых сплавов / Ф.Ф. Гиги-няк, Т.Н. Можаровская, В.В. Башта // Проблемы прочности. - 2005. - №3. -С.37-44.
4. Стакян М.Г. Вероятностная оценка сопро-
тивления усталости гладких и ступенчатых валов / М.Г. Стакян, К.Ц. Исаханян // Известия НАН РА ГИУА. Серия: Технические науки. - 2004. - Т. ЦУП, №2. -С. 204-209.
5. Хорошилов О.М. Процес горизонтального
безперервного лиття мщних сплавiв з вимушеним короткотермшовим ревер-сивним рухом заготовок шдвищено! якост в нерухомому кристатзаторк автореферат дис. на здобуття. наук. сту-пеня докт. техн. наук: спец. 05.16.04 «Ливарне виробництво» / О.М. Хоро-шилов. - Дншропетровськ, 2013. - 32 с.
6. Пат. МПК G 01 N 3/18. Пристрш для ви-
пробування зразюв у температурному iнтервалi кристатзаци на повзучiсть та довготривалу мiцнiсть / О.М. Хорошилов, О.1. Пономаренко, О.А. Шатагш; за-явник i патентовласник Нацюнальний технiчний унiверситет «Харювський по-лггехшчний iнститут». - № 17741; заявлено 03.04.06; опубл. 16.10.2006, Бюл. № 10, 2006 р.
Рецензент С.С. Дьяченко, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 4 декабря 2015 г.
