Жаропрочность металлов

Материал, который показывает высокую прочность при комнатной температуре, не обязательно сохранит те же свойства после длительной работы при нагреве. Высокая температура ускоряет процессы пластической деформации, способствует структурным изменениям и накоплению повреждений. Поэтому при выборе материалов для турбин, котлов, трубопроводов, печей и других теплонагруженных конструкций оценивают их жаропрочность.

Под жаропрочностью понимают способность металла или сплава сохранять механическую работоспособность под нагрузкой при повышенной температуре в течение длительного времени — без недопустимой деформации и преждевременного разрушения. Жаропрочность нельзя выразить одной универсальной величиной. Для её оценки используют несколько характеристик, которые показывают, как материал деформируется во времени, какое напряжение он способен воспринимать и как долго сохраняет целостность.

ЖАРОПРОЧНОСТЬ И ЖАРОСТОЙКОСТЬ — НЕ ОДНО И ТО ЖЕ

Эти понятия близки по звучанию, но характеризуют разные свойства. Металл может хорошо сопротивляться окислению, но при этом недостаточно долго выдерживать механическую нагрузку при высокой температуре. Возможна и обратная ситуация. При выборе материала для конкретной конструкции эти свойства рассматривают раздельно.

Жаропрочность связана со способностью металла сохранять механическую работоспособность под нагрузкой при высокой температуре.

Жаростойкость характеризует сопротивление материала химическому разрушению поверхности при нагреве и воздействии окружающей среды, в том числе окислению.

ПОЧЕМУ ТЕМПЕРАТУРА МЕНЯЕТ ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛА

С повышением температуры механизмы деформации металла меняются. Процессы, которые при обычных условиях практически незаметны, при нагреве начинают развиваться значительно быстрее. Материал может постепенно деформироваться под постоянной нагрузкой, хотя приложенное напряжение заметно ниже уровня его кратковременной прочности. Одновременно структурные изменения способны снижать сопротивление длительному нагружению. Поэтому характеристики, полученные при комнатной температуре, нельзя напрямую переносить на условия продолжительной высокотемпературной эксплуатации. Особенно это важно для деталей, которые должны сохранять геометрию и прочность сотни или тысячи часов.

КАКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПРЕДЕЛЯЮТ ЖАРОПРОЧНОСТЬ

На практике жаропрочность оценивают по нескольким взаимосвязанным характеристикам.

• Ползучесть показывает, как развивается деформация материала во времени при продолжительном воздействии нагрузки и температуры.
• Предел ползучести характеризует напряжение, соответствующее установленной деформации или скорости её накопления при заданных условиях.
• Длительная прочность показывает способность материала сопротивляться разрушению при продолжительном нагружении.
• Предел длительной прочности характеризует напряжение, вызывающее разрушение за заданное время при установленной температуре.

Эти характеристики отвечают на разные инженерные вопросы. Деталь может ещё сохранять целостность, но накопленная при ползучести деформация уже сделать её непригодной для эксплуатации. Поэтому при оценке жаропрочности важно учитывать как изменение размеров материала, так и его ресурс до разрушения.

КАКИМИ МЕТОДАМИ ОЦЕНИВАЮТ ЖАРОПРОЧНОСТЬ

Для испытаний металлов на ползучесть применяется ГОСТ 3248-81 «Металлы. Метод испытания на ползучесть», а испытания на длительную прочность проводят по ГОСТ 10145-81 «Металлы. Метод испытания на длительную прочность».

Методы дополняют друг друга. При испытании на ползучесть наблюдают развитие деформации во времени. При испытании на длительную прочность оценивают сопротивление материала разрушению при заданных нагрузке и температуре.

Если для конструкции критично сохранение геометрических размеров, особое значение приобретают характеристики ползучести. Если важен ресурс до разрушения — длительная прочность. Для ответственных деталей обычно необходимо учитывать оба направления.

КАК ПРОВОДЯТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Образец устанавливают в силовую цепь испытательной машины и помещают в температурную зону. После выхода на заданный режим к нему прикладывают установленную нагрузку. Далее испытательная система должна сохранять требуемые условия в течение всего цикла. В зависимости от методики регистрируют изменение деформации, контролируют температуру и фиксируют разрушение либо достижение установленного критерия.  Ключевое значение имеет стабильность режима. Небольшое систематическое отклонение нагрузки или температуры, сохраняющееся продолжительное время, способно заметно повлиять на результат.

КАКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРИМЕНЯЕТСЯ

Для испытаний на ползучесть и длительную прочность «Эталон-Профит» выпускает специализированные машины серии X-TIME.

В серии используются различные принципы нагружения: рычажное грузовое и пружинное, электромеханическое и непосредственное грузовое. Исполнение выбирают с учётом требуемой силы, температурного режима, типа образца, продолжительности испытания и применяемой методики.

Для работы при повышенной температуре машины комплектуют печами и соответствующей оснасткой. Образец располагается в рабочей зоне нагрева, а силовая цепь должна передавать нагрузку без нарушения заданного температурного режима.

Если методика предусматривает контроль деформации, в испытательный комплекс включают соответствующие измерительные средства. В результате система объединяет машину, температурное оборудование, захваты или тяги, средства контроля температуры и, при необходимости, измерения деформации.

ЧТО ОСОБЕННО ВАЖНО ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

При длительных испытаниях результат зависит от стабильности всего комплекса, а не только от точности одного измерительного канала. Необходимо контролировать:

• величину и постоянство нагрузки;
• температуру и равномерность нагрева;
• положение и соосность образца;
• точность измерения деформации;
• состояние захватов и силовой цепи;
• непрерывность регистрации параметров.

При кратковременном испытании отклонение может воздействовать на результат секунды или минуты. При длительном нагружении тот же фактор способен сохраняться сотни часов, поэтому требования к устойчивости режима значительно выше.

ГДЕ ЖАРОПРОЧНОСТЬ ОСОБЕННО ВАЖНА

Жаропрочные материалы применяют там, где детали одновременно испытывают механическую нагрузку и продолжительный нагрев: в энергетических установках, газовых и авиационных турбинах, котельном оборудовании, нефтехимических установках, трубопроводах и печных системах.

Для инженера в таких условиях недостаточно знать только предел прочности металла при комнатной температуре. Необходимо понимать, как материал будет деформироваться со временем, какое напряжение допустимо при длительной работе и когда возможно разрушение.

Именно совокупность данных о ползучести, пределе ползучести, длительной прочности и пределе длительной прочности формирует практическое представление о жаропрочности материала и позволяет обоснованно выбирать его для работы при повышенных температурах.