CC BY
19
УДК 620
А.М. Локощенко, В.В. Назаров, С.В. Новотный, В.К. Ковальков
Институт механики Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова, Россия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЗУЧЕСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 600 0С
Аннотация : Для получения характеристик ползучести и длительной прочности сплава ВТ6, создан контрольно-измерительный комплекс на базе испытательной установки ИМех-5. Разработана соответствующая методика проведения экспериментов. Предложено теоретическое описание полученных экспериментальных результатов.
Дл, 2ельна прочнос2ь, ме2од, ка проведен, экспер, мен2ов, поврежденнос2ь, ползучес2ь, сплав ВТ6
Введение
В Институте механики МГУ имени М.В. Ломоносова реализуется большая экспериментальная программа по изучению деформационных и прочностных характеристик титанового сплава ВТ6 при постоянной температуре, равной 600 °С. В течение последних двух лет была проведена комплексная модернизация измерительного и контрольного оборудования. Заменены датчики высокотемпературных деформаций, измерительное устройство и регулятор, обеспечивающий постоянство температуры на заданном уровне во время проведения испытаний. В настоящее время непрерывный контроль процесса деформирования осуществляется с применением специальных программных средств на персональном компьютере. В данной работе описана методика высокотемпературных испытаний, разработанная в лаборатории ползучести и длительной прочности металлов. Приведены результаты испытаний сплава ВТ6 на ползучесть вплоть до разрушения. Проведен анализ полученных экспериментальных результатов.
1 Испытательный комплекс для проведения высокотемпературных длительных испытаний металлов при совместном действии растяжения и кручения
Испытания сплава ВТ6 на одноосное растяжение и совместное действие растяжения с кручением проводятся на модернизированных установках ИМех-5, предназначенных для испытания трубчатых образцов при совместном действии растяжения и кручения в условиях высоких температур [1]. Нормальное и касательное напряжения задаются
независимо друг от друга и могут быть кусочно-постоянными функциями времени. Максимальная растягивающая нагрузка составляет 12,5 кН, максимальный крутящий момент - 125 Нм, максимальная возможная температура испытаний - 900 °С (мощность печи 4 кВт). Схема установки показана на рис. 1. Соединенная с ходовым винтом 1 верхняя тяга 2 может сообщать образцу 3 возвратно-поступательное движение в вертикальном направлении. Шпонка редуктора не позволяет образцу с тягами поворачиваться вокруг своей оси. К нижней тяге 4 крепится диск 7 (диаметр диска 500 мм), вдоль окружности которого проложены тросы 8, переброшенные через блоки. К этим тросам подвешиваются грузы 9, создающие крутящий момент. Угловое перемещение измеряется с помощью частотного датчика положения 5 фирмы Sick DKS40, вал 10 которого связан ременной передачей с диском 7.
Для предотвращения поворота головок образца относительно тяг используются стопоры в виде шпонок.
Все детали установки, находящиеся во время испытаний внутри печи 11, изготовлены из жаропрочной стали. Растяжение осуществляется платформой с грузами, подвешенной к диску через шарик, обеспечивающий самоцентрирование нагрузки. Растяжение без помощи рычага препятствует созданию больших напряжений, но позволяет независимо задавать растягивающую и крутящую нагрузки.
Во время эксперимента для регистрации данных используется комплексное решение на базе Рис. 1 - Схема испытательной установки ИМех-5
оборудования и компьютерных программ немец-
© А.М. Локощенко, В.В. Назаров, С.В. Новотный, В.К. Ковальков 2006 г.
- 56 -
11
II
1й
кой фирмы НВМ, специализирующейся на разработке и производстве высокоточных измерительных технологий в механике. Деформации измеряются типовыми индуктивными датчиками перемещений WA500-T той же фирмы, имеющими класс точности 0,1 % и чувствительность 5 мкм. В качестве усилителя электрического сигнала с первичного преобразователя используется сертифицированная Ростестом как средство измерений универсальная многоканальная тензометрическая станция Бр1Сег8 фирмы НВМ, сопряженная с персональным компьютером, на котором установлено специальное обеспечение на основе программы Са1тап 4.0. Специализированное программное обеспечение позволяет проводить мониторинг и контроль измерений характеристик ползучести металлов. Класс точности измерений тензометрической станции по нелинейности, смещению нуля и гистерезису составляет 0,1%. Наличие температурного канала позволяет контролировать температурное поле в печи установки. В качестве контрольного измерителя температуры использовалась платинороди-
евая термопара типа КТПП ПП (Б) в стальной жаропрочной защитной оболочке производства фирмы "ПК Тесей", которая успешно прошла поверку эталонной платинородиевой термопарой на производственном объединении " ПК Тесей". Конструкция модернизированной испытательной установки ИМех-5 позволяет обеспечить сохранность датчиков перемещений вплоть до разрушения образца. Выход на заданный температурный режим и поддержание в печи испытательной установки заданной температуры с точностью 0,1 °С осуществляется микропроцессорным регулятором температуры Протерм-100. Печь содержит три нагревательных элемента 12. Нагрев в программном режиме происходит в соответствии с заданной кусочно-линейной функцией, что обеспечивает плавный выход на рабочий температурный режим. На информационном табло Про-терм-100 можно видеть текущие время и температуру в области каждого нагревательного элемента, управление температурным полем осуществляется по каждой спирали независимым контуром регулирования с целью предотвращения локального перегрева по длине образца, а также перегрева измерительных устройств. Параметры контуров регулирования определяются экспериментально, так как они сильно зависят от конструкции захватов и теплоизоляционных материалов, используемых в конструкции печи.
Рис. 2,а - Форма сплошных образцов для испытаний на ползучесть при одноосном растяжении
После закрепления образца в жаропрочных захватах, к нему прикрепляются (по длине рабочей
части) три платино-платинородиевые термопары. С помощью этих термопар температурным регулято-
Рис. 2,(5 - форма трубчатых образц<рШ1 Прежря-Ч 0© «псущчелЪляется трехзонное ре-при комбинации растяжения и кручения
/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006
- 57 -
гулирование температурного поля с плавным выходом на заданный температурный режим и последующей выдержкой во времени для стабилизации и выравнивания температурных градиентов. Состояние стабилизации контролируется тензомет-рической станцией по уровню изменения деформаций. По завершении процесса выравнивания температуры в образце, выполняется "обнуление" показаний датчиков перемещений и образец нагружается. Программное обеспечение на базе Са1тап 4.0 позволяет безопасно регистрировать данные на заданной частоте с мониторингом текущего состояния деформирования образцов и возможностью математической обработки данных и вычислений в реальном режиме времени.
Испытания при одноосном растяжении проводятся на сплошных цилиндрических образцах диаметром 5 мм и рабочей длиной 25 мм (рис. 2,а), а при совместном растяжении с кручением - на трубчатых образцах с толщиной стенки 1,5 мм (рис. 2,б).
Особое внимание следует обращать на конструктивное исполнение креплений и захватов. По возможности необходимо уменьшать их теплоемкость и габариты, так как большие размеры захватов сильно увеличивают время стабилизации и выравнивания температурных градиентов, а также вносят существенные погрешности в измерения истинных деформаций образца. Следует также предохранять первичные средства измерения от перегрева, изолируя их от возможного теплового излучения высокотемпературных печей. Особенно это необходимо для долговременных высокотемпературных испытаний. В данной методике такую защиту обеспечивают защитный термоэкран, а также исполнение контактных датчиков регистрации деформаций, позволяющее вынести измерение удлинений за рамки опасной зоны температурного поля.
Следует также уделять внимание вопросам потери устойчивости и разрушения образцов. Конструкция испытательного оборудования в этих условиях должна обеспечивать сохранность датчиков и термопар. Следует отметить хорошие эксплуатационные характеристики термопар в гибком кабельном исполнении (диаметр 1,5 мм) и подпружиненных индуктивных датчиков измерения перемещений серии WA фирмы НВМ.
2 Результаты испытаний при одноосном растяжении
Ниже приведены результаты испытаний сплава ВТ6 на ползучесть вплоть до разрушения при температуре 600 °С. Используются следующие
обозначения: - номинальное напряжение, равное отношению постоянной растягивающей силы к площади недеформированного поперечного се-
чения, ро - скорость установившейся ползучести, t - время разрушения.
Результаты испытаний на одноосное растяжение
3 Теоретическое описание полученных результатов
Для описания высокотемпературного деформирования в рамках установившейся ползучести примем уравнение:
Ро = Л-1стI. (1)
Величины А и п представляют собой матери-
а0 Р 0 t *
МПа (час)-1 час
0.556 0.37
0.462 0.43
217 0.350 0.56
0.395 0.51
0.424 0.30
0.147 1.49
167 0.186 0.94
0.165 1.56
0.278 0.79
0.099 3.35
117 0.046 4.54
0.023 6.28
0.022 13.15
67 0.028 14.02
0.006 37.37
0.009 34.53
47 0.0034 86.67
0.0038 79.53
альные константы при заданной постоянной температуре.
Зависимость времени разрушения от напряжения представим в виде:
t*= Ба-т . (2)
Постоянные В и т вычисляются из аппроксимации опытных данных длительной прочности зависимостью (2) в логарифмических координатах
а о - t * .
Рис. 3 - Экспериментальная и теоретическая кривые
скорости установившейся ползучести от величины номинального напряжения.
Аналогичным образом можно найти константы А и п из минимума расхождения эксперименталь-
ной зависимости скорости установившейся ползучести pо от номинального напряжения с зависимостью (1) в логарифмических координатах
lgCTo - lg Ро .
50 100 150 2G0 250
а.1;
Расчеты показывают, что характеристикам установившейся ползучести и длительной прочности сплава ВТ6 соответствуют следующие значения материальных констант:
А = 3.0 • 107 (МПапчас), п = 3,03,
В = 2.3 • 107 (МПатчас), т = 3,27.
Рис. 4 - Экспериментальная и теоретическая кривые длительной прочности. На рис. 3-4 приводятся зависимости скорости установившейся ползучести р о и времени разрушения I * от уровня номинального напряжения
сто . Теоретические кривые обозначены сплошными линиями, а соответствующие им экспериментальные данные - штриховыми.
Заключение
обеспечения позволяет проводить длительные испытания на ползучесть различных металлов и сплавов при заданных температурах вплоть до разрушения.
На установках ИМех-5 проведена экспериментальная работа по выявлению скорости установившейся ползучести и длительной прочности сплава ВТ6 при постоянной температуре 600 °С. Получены экспериментальные результаты для диапазона номинального напряжения от 47 до 217 МПа. Проведено теоретическое описание полученных экспериментальных данных.
Авторы выражают благодарность за участие в подготовке и проведении экспериментов сотрудникам лаборатории ползучести и длительной прочности металлов Н. И. Гальчину, М.А. Минаеву и И.А. Манову.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты: № 05-01-00184 и № 05-08-50256-а) и ИНТАС (проект № 03-51 -6046).
Литература
1. Ковальков В.К., Назаров В.В., Новотный С.В. Методика проведения высокотемпературных испытаний при сложном напряженном состоянии. // Заводская лаборатория. Т. 72. № 4. 2006. С. 42-44.
Поступила в редакцию 11.05.2006 г.
Рецензент: д-р тех. наук, проф. Мамонов А.М., МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, Москва.
Установка ИМех-5 в сочетании с комплексом измерительного оборудования и программного
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 3/2006 # 59 —
Анота^я: Для одержання характеристик повзучост1 й тривалоТ м1цност1 сплаву ВТ6, створений контрольно-вим1рювальний комплекс на базi досл1дноТ установки ИМех-5. Роз-роблено вiдповiдну методику проведення експериментiв. Запропоновано теоретичний опис отриманих експериментальних результатiв.
Abstract: The control and measuring complex created on the basis of test set IMec-5 for characterization of creep the VT6 alloy. Experimental technique developed. Experimental data of creep was featured by kinetic equation for damage in material.
