Випробування механічних властивостей і випробування довговічності матеріалів (стр. 4 из 7)

При експлуатації металевих сплавів під дією підвищених температур проявляються такі їх важливі характеристики як — жаростійкість і жароміцність. Жаростійкість - властивість металів і сплавів створювати опір окисленню і газовій корозії при високих температурах. Підвищення жаростійкості досягають за рахунок легування хромом, алюмінієм, кремнієм, які утворюють на поверхні плівки, непроникнені для іонів основного металу і кисню-оксидні плівки (Сг₂0₃; Аl₂0₃). Сприяють підвищенню жаростійкості також захисні покриття, склад яких визначається умовами експлуатації і складом агресивного середовища.

Структура жаростійких матеріалів повинна бути одно фазною і однорідною, чому сприяють такі види термообробки як відпал і нормалізація.

Суттєво підвіщує жаростійкість такий фактор, як чистота обробки поверхні деталей. Поліровані деталі повільніше окислюються, оскільки оксиди більш рівномірно розподілені по поверхні.

Жароміцність - це властивість матеріалу довгий час чинити опір деформуванню і руйнуванню під дією навантажень при підвищених температурах, коли вони сягають величини більше 0,3 Т_пл. В таких умовах працюють деталі двигунів внутрішнього згоряння, печей, котлів, турбін і т.ін.

При навантаженні матеріалів довгий час в умовах високих температур спостерігаються процеси повзучості (або крипу), тобто з часом матеріал деформується з певною швидкістю. Найбільш важливий вид повзучості - повільна повзучесть виникає в області температур (0,4...0,7) Т_пл матеріалу.

Основними показниками повзучості є швидкість повзучості і умовна межа повзучесті - напруга, яка викликає при даній температурі задану деформацію за встановлений проміжок часу. Умовну межу повзучості позначають символом

, МПа. Напр., 130 МПа, позначає, що напруга 130 МПа викликає 1%

деформації за 10⁵ годин при Т=550° С. В умовах, коли проявляється повзучість при тривалих статичних навантаженнях проводять випробування на тривалу міцність - це властивість матеріалу чінити опір руйнуванню в умовах тривалого статичного навантаження. Межа тривалої міцності позначається символом

МПа. Наприклад, =150МПа, що позначає - напруга 150 МПа призводить матеріал до руйнування за 10⁵ год при Т=550° С. Основними чинниками, які забезпечують вимоги до жароміцних сплавів є висока ступінь легування такими елементами як Сr, Мо,V і т.п., стабільність структури і міцність кордонів при великозернистій структурі.

В реальних умовах при підвищенних температурах в металевих сплавах спостерігається одночасно з повзучістю і явище втомленості. Явище деформації і руйнування матеріалу під дією циклічних нагрівань і охолоджень носить назву термічної втомленості. В умовах втомленості при високих температурах, як і при повзучості формується субзеренна структура і тріщіни розповсюджуються по межах зерен. Термічна втомленість відрізняється від механічної в основному тим, що напруження визначаються пружно-пластичними властивостями матеріалу. Значення термічних напружень визначають з рівняння:

де Е - модуль пружності; а - коефіцієнт лінійного розширення;

- температурний інтервал; V - коефіцієнт Пуасона.

Величина

залежить від теплопроводності матеріалу, умов нагрівання - охолодження і масштабного фактору.

При експлуатації металевих конструкцій в умовах радіаційного випромінювання (космічного, сонячного, технологічного) менш стійким виявляються метали с ГЦК решіткою, ніж метали з ОЦК і ГЩС решітками. Найбільший вплив на властивості мають нейтрони, які не маючи заряда, здатні проникати в глибину кристалічної решітки. При цьому вони викликають порушення електронної структури, локальні підвищення температури, радіаційну ерозію, яка виникає на поверхні під дією високошвидкісних частинок.

Такі дефекти призводять до зміни структурно чутливих властивостивостей, а саме знижується пластичність, в'язкість, підвищується питомий електроопір, міцність і опір малим пластичним деформаціям - о_а2, тобто, зростає імовірність крихкого руйнування. Це і є до дії радіації найбільш небезпечним наслідком — після дії радіації до радіаційного випромінювання. Наприклад, критична температура температури крихкості при крихкості молібдена після дії охолодженні після дії нейтронного випромінювання нейтронного випромінювання підвищується від -ЗО до + 70°С. Загальний характер впливу радіаційного випромінювання на

і опір відриву наведені на графіку (рис. 1.5)

Рис. 1.5 Зміна критичної температури крихкості при охолодженні після дії нейтронного випромінювання

Як видно з графіків критична температура крихкості після дії випромінювання суттєво зростає. Глибокий вакуум характеризується зовнішнім тиском * 10⁴¹- 10^іг мм рт. ст. При цьому порушується термодинамічна рівновага металу з газовим середовищем і на кордоні виникають процеси конденсації або сублімації, тобто метали зразу перетворюються на пар, минаючи рідку фазу

Крихке руйнування відбувається при умові рівності межі текучості

і опору відриву S при певній температурі:

=S

Один із шляхів боротьби з сублімацією є створення захисних покрить, які мають більшу стійкість у вакуумі, ніж основний метал.

Такими особливостями володіють керамічні матеріали, які складаються із оксидів і інших з'єднань Аl; Ве; Сr; Мg; Sі; Ті; Zn. Такі з'єднання здатні довгий час працювати в умовах глибокого вакууму. Інша проблема, яка виникає при експлуатації деталей в умовах глибокого вакууму - холодне зварювання, яке пояснюється тим, що у вакуумі різко збільшується коефіцієнт тертя завдяки відсутності оксидних плівок. Це ускладнює процес ковзання в парах тертя і призводить до „схоплювання" деталей. Рідкі змащувальні матеріали при цьому використовувати не можливо, оскільки вони випаровуються. В таких умовах як змащувальні матеріали використовуються золото, срібло, кобальт, нікель і більш довговічні: графіт; МoS₂, вольфрам.

Розділ 2. Практичне використовування випробувань механічних властивостей

2.1 Випробування механічних властивостей

Поведінка металів під дією зовнішніх навантажень характеризується їх механічними властивостями, які дозволяють визначити межі навантаження для кожного конкретного матеріалу, провести зіставну оцінку різних матеріалів і здійснити контроль якості металу в заводських і лабораторних умовах.

До випробувань механічних властивостей пред'являється ряд вимог. Температурно-силові умови проведення випробувань повинні бути по можливості наближені до службових умов роботи матеріалів в реальних машинах і конструкціях. Разом з тим методи випробувань повинні бути достатньо простими і придатними для масового контролю якості металургійної продукції. Враховуючи необхідність зіставлення якості різних конструкційних матеріалів, методи випробувань механічних властивостей повинні бути строго регламентовані стандартами.

Результати визначення механічних властивостей використовують в розрахунковій конструкторській практиці при проектуванні машин і конструкцій. Найбільше розповсюдження мають наступні види механічних випробувань.

1.Статичні короткочасні випробування однократним навантаженому на одноосне розтягування - стиснення, твердість, вигин і кручення.

2.Динамічні випробування з визначенням ударної в'язкості і її складових - питомої роботи зародження і розвитку тріщини.

3.Випробування змінним навантаженням з визначенням межі витривалості матеріалу.

4. Випробування на термічну утомленість.

5.Випробування на повзучість і тривалу міцність.

6.Випробування на опір розвитку тріщини з визначенням параметрів в'язкості руйнування.

7.Випробування матеріалів в умовах важконапруженого стану, а також натурні випробування деталей, вузлів і готових конструкцій.

Статичні випробування

Найчастіше проводять випробування на розтягування (ГОСТ 1497). Звичайно застосовують малий п'ятикратний зразок круглого перетину (діаметр 5 мм, розрахункова довжина 25 мм). На рис. 2.1 приведено два види діаграм розтягування: з ділянкою і без ділянки текучості в координатах навантаження Р - подовження Δl. Діаграма просто перетвориться в діаграму в координатах напруга σ — відносна деформація δ. При цьому σ = Р/F₀; δ =(∆l /l₀)х100%, де F₀, lо – початкова ділянка перетину і довжина зразка до випробування.

Діаграма розтягування складається з трьох ділянок: пружної деформації ОА, рівномірної пластичної деформації АВ і зосередженої деформації шийки ВС.

Рис. 2.1. Діаграми розтягувань:

а - з майданчиком текучості; б - без майданчика текучості; в - діаграма істинних напруг

Ділянка пружної деформації має прямолінійний вигляд і характеризує жорсткість матеріалу. Чим меншу пружну деформацію зазнає матеріал під дією навантаження, тим вище його жорсткість, яка характеризується модулем пружності: E= σ / δ.