ГОСТ 10145-81 — испытание металлов на длительную прочность

ГОСТ 10145-81 «Металлы. Метод испытания на длительную прочность» устанавливает метод испытания черных и цветных металлов и сплавов при температуре до 1200 °C.

Образец длительное время находится под действием постоянной растягивающей нагрузки при постоянной температуре. Испытание продолжают до разрушения либо до достижения установленной контрольной продолжительности. Здесь важно не только значение приложенного напряжения, но и время, в течение которого материал способен его выдерживать. По серии испытаний определяют предел длительной прочности — напряжение, вызывающее разрушение за заданное время при установленной температуре.

Что показывает длительная прочность металла

Материал может выдерживать определенное напряжение несколько минут или часов, но разрушиться при той же нагрузке после сотен или тысяч часов работы. Это особенно важно для деталей, длительно работающих при повышенной температуре: элементов энергетического оборудования, турбин, печных установок, трубопроводов, двигателей и других нагруженных конструкций. Поэтому испытание отвечает на практический вопрос: как долго материал способен работать при заданных температуре и напряжении до разрушения?

Подробнее различия между длительной прочностью, ползучестью и релаксацией рассмотрены в статье «Испытания металлов на длительную прочность и ползучесть».

Предел длительной прочности

Предел длительной прочности характеризует напряжение, при котором материал разрушается за установленное время при постоянной температуре. Поэтому одного численного значения недостаточно. Вместе с ним необходимо указывать как минимум:

• температуру испытания;

• базу времени;

• напряжение;

• состояние и геометрию образца.

Характеристики, определенные, например, для 100, 1000 и 10 000 ч, относятся к разным условиям длительной работы материала. При одной и той же температуре увеличение требуемого времени до разрушения обычно означает снижение напряжения, которое материал способен длительно выдерживать.

Чем длительная прочность отличается от ползучести

Эти испытания часто выполняют на одном классе оборудования, но измеряют разные характеристики. При испытании на длительную прочность основным результатом является время до разрушения при постоянных нагрузке и температуре. При испытании на ползучесть оценивают развитие деформации во времени: насколько и с какой скоростью удлиняется образец в процессе длительного нагружения.

Поэтому ГОСТ 10145-81 и ГОСТ 3248-81 не являются двумя вариантами одного испытания. Длительная прочность характеризует сопротивление разрушению во времени, а ползучесть — накопление деформации.

Образцы для испытаний

ГОСТ предусматривает цилиндрические и плоские образцы. К основным цилиндрическим относятся:

Диаметр рабочей части	Начальная расчетная длина
5 мм	25 мм
10 мм	50 мм
10 мм	100 мм
7 мм	70 мм

Для плоских образцов расчетную длину выбирают пропорционально площади начального поперечного сечения. Допускаются другие формы и размеры, если они технически обоснованы и установлены нормативной документацией на конкретную металлопродукцию. Диаметр цилиндрического образца должен быть не менее 3 мм.

Почему подготовка образца особенно важна

Испытание может продолжаться сотни и тысячи часов. Поэтому небольшой дефект, который почти не влияет на кратковременное растяжение, при длительном нагружении способен заметно изменить момент разрушения.

Не допускаются образцы с короблением, механическими повреждениями, расслоениями, порами, раковинами и трещинами, возникшими при изготовлении или термической обработке. Правка готового образца не допускается. Механическая обработка не должна изменять структуру и свойства металла вследствие перегрева, наклепа или других воздействий.

Для цилиндрического образца стандарт ограничивает отклонение диаметра рабочей части значением ±0,02 мм, а отклонение площади поперечного сечения — ±0,5 %.

Перед запуском длительного испытания

Образец закрепляют в захватах испытательной машины и помещают в нагревательное устройство. До приложения рабочей нагрузки его нагревают до заданной температуры. В обычном случае продолжительность нагрева не должна превышать 8 ч. После выхода на требуемый режим образец выдерживают при этой температуре не менее 1 ч, если другой порядок не установлен нормативной документацией на материал. Только после температурной выдержки плавно прикладывают растягивающую нагрузку.

Таким образом отсчет длительного нагружения начинается уже при установленном температурном состоянии образца.

Контроль температуры во время испытания

Для высокотемпературного испытания недостаточно контролировать только температуру воздуха в печи. Температуру измеряют непосредственно на образце. На концах рабочей части устанавливают не менее двух термопар. Если расчетная длина превышает 100 мм, применяют не менее трех термопар, распределенных по рабочей части. Допустимое отклонение температуры зависит от диапазона:

Температура испытания	Допустимое отклонение
до 600 °C	±3 °C
600–900 °C	±4 °C
900–1200 °C	±6 °C

Температуру контролируют не реже одного раза в 2 ч. Для продолжительных испытаний предпочтительна автоматическая регистрация, а при арбитражных испытаниях она обязательна. Поэтому значение имеет не только испытательная машина, но и стабильность системы температурных испытаний.

После выхода на температурный режим

Нагрузку прикладывают плавно. Напряжение рассчитывают как отношение приложенной нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения рабочей части образца. После этого нагрузка и температура должны сохраняться в заданных пределах на протяжении всего испытания, а система фиксирует продолжительность нагружения до разрушения либо до достижения установленной базы времени.

Для таких длительных режимов требуется машина, способная стабильно поддерживать нагрузку и температурные условия на протяжении всего испытания. Эти задачи решаются на машинах серии X-TIME.

Почему длительное испытание сложнее обычного растяжения

При кратковременном испытании отклонение режима обычно действует минуты. В испытании на длительную прочность даже небольшая систематическая ошибка может сохраняться сотни или тысячи часов. Поэтому особенно важны долговременная стабильность нагрузки, равномерность температуры по рабочей части образца и непрерывность регистрации.

Если режим нарушился в середине многотысячного испытания, простой повтор измерения уже означает фактически новый многонедельный или многомесячный цикл. Именно длительность делает требования к оборудованию, контролю и регистрации существенно жестче, чем при обычном статическом растяжении.

50, 100 или 10 000 часов: как выбирают базу испытания

Продолжительность выбирают в зависимости от материала и его назначения. При определении предела длительной прочности стандарт рекомендует базы 50, 100, 500, 1000, 3000, 5000 и 10 000 ч.

Это не означает, что каждое испытание обязательно должно продолжаться именно столько. Конкретную базу определяют требования к материалу, технические условия или задача исследования. При приемо-сдаточных испытаниях образец не всегда требуется доводить до разрушения. Если он выдержал установленную норму времени и определение пластических характеристик после разрушения не требуется, испытание может быть завершено по контрольному критерию.

Что фиксируют после разрушения

Основным результатом является время до разрушения при заданных напряжении и температуре. После разрушения также определяют относительное удлинение и относительное сужение поперечного сечения. Эти характеристики показывают, насколько пластично или хрупко материал вел себя после длительного температурного нагружения.

Для гладких образцов стандарт рекомендует также измерять удлинение непосредственно в процессе испытания до разрушения.

Когда результат нельзя считать достоверным

Не всякое разрушение образца является корректным результатом. Результат может быть признан недействительным, если разрыв произошел:

• по разметочным рискам или кернам;

• за пределами расчетной длины;

• в зоне галтелей;

• по металлургическим дефектам — например расслоению, плене или пузырю.

Для отдельных контрольных испытаний стандарт предусматривает исключения, но общий принцип остается прежним, то есть место и причина разрушения должны соответствовать нормальной работе расчетной части образца.

Как строят кривую длительной прочности

Для определения предела длительной прочности одного испытания недостаточно. При одной заданной температуре проводят испытания минимум на трех уровнях напряжения. Для каждого уровня получают время до разрушения, а по серии образцов — среднее значение. Затем строят зависимость напряжение → время до разрушения. Ее обычно представляют в логарифмических или полулогарифмических координатах.

По такой зависимости определяют напряжение, соответствующее выбранной продолжительности работы материала — например 1000 или 10 000 ч.

Интерполяция и экстраполяция результатов

При длительных испытаниях естественно стремление прогнозировать большие сроки по более коротким экспериментам. Однако возможности такой экстраполяции ограничены. ГОСТ указывает, что интервал экспериментальных средних значений времени до разрушения при экстраполяции должен составлять не менее 1,3 порядка. Не рекомендуется также прогнозировать срок, превышающий максимальное экспериментальное среднее время до разрушения более чем в полтора порядка.

То есть испытание продолжительностью несколько сотен часов нельзя без достаточной экспериментальной базы превращать расчетом в прогноз на десятки лет.

Испытание нескольких образцов «цепочкой»

ГОСТ допускает одновременное испытание нескольких образцов на одной машине — так называемое испытание «цепочкой». Такой подход позволяет эффективнее использовать оборудование при продолжительных исследованиях.

Температурный режим каждого образца при этом должен соответствовать требованиям стандарта. Если температурный градиент находится в допустимых пределах, температуру каждого образца допускается измерять одной термопарой в его средней части.

Что особенно важно контролировать

Для испытаний продолжительностью в сотни или тысячи часов особенно критичны:

• долговременная стабильность растягивающей нагрузки;

• фактическая температура образца;

• температурный градиент по рабочей длине;

• состояние и стабильность показаний термопар;

• непрерывность регистрации параметров;

• перерывы в испытании;

• место и характер разрушения.

Если испытание вынужденно прерывалось, это необходимо учитывать и фиксировать в протоколе.

Что записывают в протокол

В протоколе указывают
материал	температуру испытания	время до разрушения или фактическую продолжительность испытания	относительное удлинение
форму и размеры образца	приложенное напряжение	параметры надреза, если он имеется	относительное сужение после разрушения

Если испытание прерывалось, дополнительно фиксируют количество перерывов и условия, в которых находился образец. Для многотысячных испытаний полнота регистрации особенно важна, ведь восстановить пропущенные условия через несколько недель или месяцев уже невозможно.

Оборудование для испытаний по ГОСТ 10145-81

Для испытаний необходимо оборудование, способное длительно поддерживать заданную растягивающую нагрузку и температурный режим. Серия X-TIME производства «Эталон-Профит» включает несколько способов нагружения:

• грузовое рычажное;

• пружинное рычажное;

• электромеханическое;

• непосредственное грузовое.

Для работы при повышенной температуре машины комплектуются соответствующими температурными системами, а при необходимости контроля деформации еще и измерительными устройствами.

Например, X-TIME G/GF/P использует рычажные схемы нагружения, а исполнения X-TIME M — электромеханическое создание и поддержание усилия.

Машины X-TIME внесены в Государственный реестр средств измерений РФ, регистрационный № 96078-25.

Практические рекомендации

Перед запуском длительного испытания необходимо проверить параметры, которые после начала многосотчасового цикла уже нельзя исправить без потери результата, например, установку образца, термопары, температурный режим и заданную нагрузку.

Если требуется прогноз на большой срок, экспериментальный диапазон времени должен быть достаточно широким. Чем дальше прогноз от фактически полученных данных, тем выше неопределенность результата. При длительных сериях особенно важно заранее обеспечить надежную регистрацию нагрузки, температуры, времени и событий, связанных с остановками оборудования.

Не следует смешивать результаты испытаний на длительную прочность и ползучесть, так как оборудование может быть одинаковым, но определяемые характеристики и обработка данных различаются.

Часто задаваемые вопросы

Что определяют по ГОСТ 10145-81?	Предел длительной прочности и время до разрушения металла при заданных постоянных напряжении и температуре
До какой температуры применяется стандарт?	Для черных и цветных металлов и сплавов — до 1200 °C
Нужно ли всегда доводить образец до разрушения?	Нет. При некоторых приемо-сдаточных и контрольных испытаниях достаточно подтвердить, что образец выдержал установленную норму времени
Почему требуется несколько уровней напряжения?	Потому что предел длительной прочности определяют по зависимости между напряжением и временем до разрушения. Стандарт предусматривает не менее трех уровней напряжения
Чем такое испытание отличается от обычного растяжения?	При обычном растяжении нагрузка изменяется в ходе сравнительно короткого испытания. При испытании на длительную прочность образец продолжительное время находится под заданной нагрузкой и температурой
Можно ли одновременно испытывать несколько образцов?	Да. ГОСТ предусматривает испытание нескольких образцов «цепочкой» при соблюдении требований к температурному режиму каждого образца

 

Машины X-TIME для испытаний на длительную прочность

ООО «Эталон-Профит» производит машины X-TIME для длительных статических испытаний металлов, сплавов и других материалов. Исполнение испытательного комплекса подбирают по требуемой силе, способу нагружения, температурному диапазону, продолжительности испытания и необходимости регистрации деформации.

Специалисты ООО «Эталон-Профит» помогут подобрать машину X-TIME, температурную систему и необходимую комплектацию для испытаний металлов на длительную прочность по ГОСТ 10145-81.