CC BY
34
УДК 620.178.38
УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ
© 2012 Е. А. Тихомирова1, Т. Н. Азизов2, Е. Ф. Сидохин3
Открытое акционерное общество «КЛИМОВ», г. Санкт-Петербург 2Открытое акционерное общество «ММП имени В.В. Чернышева», г. Москва 3Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр «Экспертцентр», г. Москва
Предлагается устройство для термоциклических испытаний материалов.
Термическая усталость, термоциклические испытания, термическое расширение, жёсткость.
Способность материалов оказывать сопротивление термической усталости контролируют посредством термоциклических испытаний (ТЦ), в ходе которых образец подвергают периодически нагреву и охлаждению, ограничив его возможность к термической деформации. Степень стеснения регулируют жёсткостью связей закреплённого образца. Благодаря этому материал образца в процессе нагрева и охлаждения испытывает упругопластическую деформацию Ае, величина которой определяется создаваемой жёсткостью. В настоящее время термоциклические испытания с варьируемой жёсткостью выполняют на специальных стендах, принципиальная схема которых представлена на рис.1 [1]. Стенд имеет вид рамы, которая включает жёсткие стойки и массивные траверсы, соединенные с ними упругими связями, либо обоймы с упругими элементами. В качестве последних используют сменные
мембраны различной толщины. Стенды комплектуются системами регулирования температуры и измерения напряжений и упругопластической деформации. Нагрев образца в процессе испытаний производят различными способами, например, пропуская электрический ток [1, 2]. В зависимости от характера решаемой задачи образцы для испытаний имеют различную форму: цилиндрические сплошные или трубчатые, корсетные сплошные или трубчатые либо плоские [2].
В установке [1] для испытаний сопротивления материалов термической усталости (рис. 2) рама выполнена с возможностью изменения жёсткости по отношению к образцу благодаря тому, что стенки рамы, на которых располагаются захваты крепления головок образца, выполнены в виде упругих элементов (мембран) и предусмотрена возможность их смены.
Рис.1. Принципиальные схемы установок для испытаний на термоусталость
Рис.2. Установка для испытаний с варьируемой жёсткостью
При этом сама рама находится вне нагревательного устройства, а испытуемый образец, закреплённый в раме, помещён внутрь нагревательной камеры. Недостатком этого устройства является невысокая производительность контроля в связи с тем, что его работа осуществляется с каждым образцом индивидуально, а сам процесс исследования является достаточно продолжительным. Кроме того, устройство не позволяет производить какие-либо дополнительные исследования состояния образца, не прерывая процесс испытаний.
Другая отечественная установка (рис. 3), использующая в своей работе образец плоской формы, содержит массивное осно-вание-раму 7, состоящее из двух блоков 2, 5, разделённых электроизоляционным материалом (слюдой), с ввёрнутыми в них стойками 4, 5, на которые надевается образец б и фиксируется гайками 7, 8. Основание помещено в теплоизолирующую камеру, которая вместе с введёнными внутрь и закреплёнными на основании токоподводами образует нагреватель, посредством которого производится нагрев образца пропускаемым через него электрическим током. Рама выполнена с абсолютной жёсткостью (С~со) по отношению к образцу. Благодаря этому термическая деформация образца еТерм, подвергаемо-
го термическому воздействию, полностью превращается в упругопластическую Ав. Варьирование Ав производят, задавая величину упругопластической деформации как Ае= £терм= ССср(Т2-Т}), где аср- средний коэффициент линейного расширения материала в интервале изменения температур (Т2-Т1). С точки зрения испытаний на термическую усталость такой способ варьирования Ае является значительным недостатком, т.к. материал, температурные свойства которого контролируют, оказывается при иных температурах в случае разных Ае.
Рис.З. Установка для испытаний на термоусталость и металлографического исследования
Главная особенность этих стендов состоит в том, что в процессе испытаний нагреву и охлаждению подвергают только образец, тогда как температура нагружающей рамы остается неизменной. Это позволяет стенду быть достаточно вариативным в исследовании. Но имеются и недостатки. Первый из них - низкая производительность из-за очень продолжительного, как правило, времени испытания одного образца.
Второй - невозможность без ущерба для результата прерывать процесс для промежуточных исследований неразрушающими методами, например, металлографическими, рентгеновскими либо с помощью сканирующей микроскопии и др., или производить измерения. Аналогичная ситуация имела место в исследованиях релаксации напряжений, где решение проблемы было достигнуто с помощью колец Одинга или Дави-денкова [3], которые представляют собой и образцы, и устройство для испытаний одновременно. Они дополнили стационарные установки и расширили возможности испытательной базы.
Предлагаемое устройство решает задачу таким же образом - дополняет возможности стационарных установок. Как и в стендах, устройство представляет собой жёсткую рамку по отношению к образцу, на двух противоположных стенках которой выполнены средства закрепления его головок. Рамка имеет габаритные размеры несколько больше размеров образца и может быть вместе с ним помещена в рабочее пространство печи, используемой для нагрева. Чтобы задать величину упругопластической деформации при ТЦ испытаниях, рамку следует изготовить из материала, отличающегося от материала испытуемого образца коэффициентом линейного расширения аср.
Примеры возможных вариантов исполнения рамки с образцом показаны на рис. 4. Варианты рис. 4,6 и рис.4,в особенно удобны для изготовления. В этом случае детали рамки просты и выполняются из разных материалов. Пластины, параллельные оси образца, должны быть изготовлены из материала с отличающимся от материала образца коэффициентом линейного расширения.
Температура образцов в процессе испытаний отслеживается и регистрируется с помощью термопар, приваренных к образцам или рамам. В определённые моменты, установленные программой испытаний, раму с образцом, не разгружая его, переносят 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 образ-
цом вновь возвращают в цикл испытании для их продолжения.
Большим преимуществом является и то, что для осуществления испытаний с помощью этого устройства требуется всего лишь нагреватель и простой подающий механизм, при этом можно набирать рамки в кассеты и проводить единовременно испытание группы образцов по разным схемам, но в одних условиях. Простота самого устройства и возможность его изготовления в условиях предприятия, осуществляющего
Заключение
Предложено устройство для термоциклических испытаний материалов, основаное на различии термического расширения материалов образца и удерживающей его рамы. Устройство позволяет в ходе испытаний варьировать упругопластическую деформацию посредством подбора для рамы материала с надлежащим коэффициентом линейного расширения.
Библиографический список
1. Дульнев, Р.А. Термическая усталость металлов [Текст] / Р. А. Дульнев, П.П. Котов. - М.: Машиностроение, 1980. - 200 с.
2. Сопротивление термической усталости монокристаллического сплава [Текст] / Л.Б. Гецов, НИ. Добина, А.И. Рыбников [и др.] // Проблемы прочности. - 2008. -№5. - С.54-71.
3. Хенкин, М.Л. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении [Текст] / М.Л. Хенкин, И.Х. Локшин,- М.: Машиностроение, 1974. - С.17.
4. Ориентационная зависимость термической усталости монокристаллов никелевого сплава [Текст] / Р.А. Дульнев, И.Л. Светлов, Н.Г. Бычков [и др.] // Проблемы прочности. -1988. -№11. - С. 3-9.
INSTRUMENT ТО MEASURE MATERIAL RESISTANCE ТО THERMO-MECHANICAL FATIGUE
© 2012 E. A. Tikhomirova1, T. N. Azizov2, E. F. Sidokhin3
1 JSC “KLIMOV”, S.-Peterburg 2JSC «ММР name V.V. Chernishova», Moscow 3“NTC Expertcentre” JSC, Moscow
The instrument is used for material thermo-cyclical testing.
Thermal fatigue (thermo-mechanical fatigue), thermo-cvclical testing, linear thermal expansion, rigidity, stiff-
Информация об авторах
Тихомирова Елена Александровна, инженер, Открытое акционерное общество «КЛИМОВ», г. Санкт Петербург. Область научных интересов: металловедение жаропрочных сплавов.
контроль своей продукции, а также простота необходимых технических средств делает возможным проведение ТЦ испытаний в условиях заводских лабораторий, не привлекая для этого сложное специализированное дорогостоящее оборудование.
Представляется, что оно может быть успешно применено для заводских испытаний покрытий. Придавая рамке и образцу определенную расчётную форму, можно моделировать в испытаниях работу реальных изделий (рис. 5) или их участков и подвергать испытаниям сами изделия.
талия макетных образцов и реальных изделий
Устройство позволяет производить ТЦ испытания в необычном режиме: растяжение при нагреве и сжатие при охлаждении.
Азизов Тахир Наилевич, кандидат технических наук, главный металлург, Открытое акционерное общество «ММП имени В.В. Чернышева», г. Москва. Область научных интересов: металловедение жаропрочных сплавов.
Сидохии Евгений Федорович, инженер, Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр «Экспертцентр», г. Москва. E-mail: esidohin@yandex.ru. Область научных интересов: физика металлов.
Tikhomirova Elena Aleksandrovna, Engineer, JSC “KLIMOV”, S.-Peterburg. Area of research: The metallurgy of high resistance alloys.
Azizov Takhir Nailevch, candidate of technical sciences., chief metallurgist, JSC «ММР name V.V. Chernishova», Moscow. Area of research: The metallurgy of high resistance alloys.
Sidokhin Evgeni Fedorovich, Engineer, “NTC Expertcentre” JSC, Moscow. E-mail: esido-hin@yandex.ru. Area of research: the physic of metals.
