Способ исследования термической усталости посредством испытаний на образцах корсетной формы Российский патент 2024 года по МПК G01N3/60 

Изобретение относится к способам исследования термической усталости, происходящей в изделиях, подвергающихся температурно-силовому воздействию, в испытаниях, моделирующих их разрушение, и может быть использовано в области машиностроения, газотурбинного двигателестроения.

В результате циклических нагревов происходит разрушение - это явление термической усталости, которая включает в своем развитии стадию накопления повреждений, в ходе которой необратимые изменения субструктуры под действием пластической деформации приводят материал в состояние, благоприятное для образования трещин, с последующим переходом к стадии разрушения, включающей образование и развитие магистральной трещины под действием напряжений. В реальных изделиях (например, лопатки и диски газотурбинных двигателей ГТД) подвергаются возникновению и протеканию термической усталости, чему способствует неравномерность сечений в ряде областей и, как следствие, неравномерность распределения изменяющейся температуры изделия, подвергающегося периодическим нагревам в условиях эксплуатации. Установлено, что долговечность (число циклов до разрушения N) при циклических нагревах изделий в эксплуатации и в условиях испытаний зависит от пластической деформации в цикле ε_пл и описывается законом Л.Ф. Коффина. Изучение термической усталости осуществляют посредством термоциклических испытаний, в которых производят стеснение свободной термической деформации ε₀ исследуемого образца, которую компенсирует его упругопластическая деформация Δε_т,=ε_упр+ε_пл. Для построения зависимости долговечности N от ε_пл, используемой при расчетах ресурсов изделий, термоциклические испытания производят с варьированием пластической деформации в цикле одним из нескольких предложенных способов.

Известен способ варьирования пластической деформации, основанный на изменении жесткости стеснения (С) образца, в результате чего образцом компенсируется не вся его свободная термическая деформация ε₀, а только часть Δε_т и Δε_т<ε₀, а их разность (ε₀-Δε_т) компенсирует система, обеспечивающая стеснение (диафрагмы, пружины и др.). Изменяя жесткость стеснения С, производят изменение создаваемой величины -Δε_т и тем самым величины ε_пл. Испытание заключается в периодических нагревах образца, закрепленного захватами в раме, состоящей из набора жестких стоек и обойм, либо из стоек и массивных траверс, соединенных с ними жестко или через упругие связи. Амплитуду упругопластической деформации варьируют с помощью либо мембран переменной толщины, либо упругих элементов, располагаемых между массивной траверсой и колонками. Пластическая деформация за полуцикл ε_пл определяется как разность упругопластической деформации образца -Δε_т и его упругой деформации -Δε_ynp.(Р.А. Дульнев, П.И. Котов. Термическая усталость металлов. М.: Машиностроение, 1980, 200 с.).

Недостаток данного способа состоит в том, что при переходе от испытания с одним значением пластической деформации ε_пл к другому необходимо выполнять значительные технические изменения в используемой установке или выполнять испытания, используя несколько других однотипных установок.

Известен способ варьирования пластической деформации в цикле, в котором используется тот же принцип, что и в вышеописанном способе -изменение жесткости стеснения свободной термической деформации образца, но реализация изменений жесткости нагружения в нем осуществляется иным образом. В этом случае образец, установленный между вертикальными стойками, закреплен одной своей головкой в подвижной раме, а другой - в неподвижной. При этом подвижная рама соединена со второй неподвижной рамой через сменный стержень, расположенный последовательно с образцом. Для изменения пластической деформации в цикле испытаний использовавшийся сменный стержень следует заменить стержнем с другой жесткостью (С). Помимо того сменный стержень служит для измерения деформаций и напряжений, применяемых в расчетах. Пластическая деформация в цикле ε_пл подсчитывается, как разность упругопластической деформации образца -Δε_т и его упругой деформации -Δε_у. (Я.С. Можаровский. К вопросу о термической усталости сплавов с учетом граничных условий. Заводская лаборатория. 1963, т.29, №6, с. 743-746).

Недостатком этого метода является также необходимость осуществления перенастройки оборудования при переходе к испытаниям с измененной пластической деформацией в планируемых термоциклических испытаниях.

Известен способ варьирования пластической деформации, в котором в системе стеснения создают зазор между зажимом одной из головок образца и жесткой плитой рамы. В остальном конструкция установки и принцип ее работы не отличаются от вышеописанных конструкций. (Н.Д. Соболев, В.И. Егоров. К методике испытаний на термическую усталость при одноосном напряженном состоянии. Заводская лаборатория, 1962, t.XXVIII, №10, с. 1233-1242).

Недостатком данного способа является сложность воспроизведения задаваемых условий испытаний. К тому же имеется общий недостаток всех трех выше описанных способов. Он состоит в том, что все они позволяют варьировать величину пластической деформации в цикле только в пределах свободной термической деформации материала образцов ε₀=αΔТ, что составляет ~1.5-2% у большинства конструкционных материалов (α - средний коэффициент термического расширения материала, ΔТ - диапазон изменения температуры в цикле испытаний). Однако указанная величина ε₀, как показывает анализ и результаты расчетов, существенно меньше деформации, происходящей в изделиях, подвергающихся циклическому нагреву в условиях эксплуатации.

Известен способ варьирования пластической деформации с помощью устройства, в котором стеснение развивается из-за разности коэффициентов термического расширения испытываемого образца и стесняющей его подложки. Устройство для испытания сопротивления материалов термической усталости, в котором реализован рассматриваемый способ варьирования, представляет собой раму, позволяющую изменять степень стеснения термической деформации образца. На двух противоположных стенках она снабжена средствами закрепления головок испытуемого образца. Устройство содержит нагреватель, включающий рабочую камеру и средства регулирования температуры. Рама, помещаемая внутрь рабочей камеры нагревателя, выполнена из материала с коэффициентом линейного расширения (α_ср) близким к нулю или меньшим, либо большим, чем у материала образца. Профиль и толщина сечения стенок рамы обеспечивают полную жесткость стеснения образцов независимо от величины α_ср материала, используемого для их изготовления. (RU 123157 МПК G01N 3/08 2012 г.).

Недостатком данного способа является невозможность его осуществления в термоциклических испытаниях, выполняемых на специализированных установках с регистрацией деформаций и напряжений в ходе испытаний.

Ближайшим техническим решением является способ исследования термической усталости посредством испытаний на образцах корсетной формы, включающий проведение серии испытаний с варьированием величины пластической деформации в цикле каждого из них посредством изменения условий проведения испытаний. Это достигается благодаря изменению от одного испытания к другому параметров термического режима: начальной температуры цикла T_min, его конечной температуры T_max или обеих одновременно. Благодаря этому происходит изменение протяженности термического цикла ΔТ=T_max-T_min, а вместе с ним изменение свободной термической деформации ε₀, стеснение которой компенсирует сумма упругой и пластической деформации Δε_т=ε_упр+ε_пл, каждая из которых изменяется, но отношение к развитию разрушения при циклических теплосменах связано с пластической деформацией в цикле (Е.А. Тихомирова, к.т.н., Е.Ф. Сидохин. О пластической деформации корсетных образцов при термоциклических испытаниях. Материаловедение. 2015, №9, с. 3-6).

Недостаток ближайшего известного способа исследования термической усталости посредством испытаний на образцах корсетной формы, состоит в том, что изменение условий проведения испытаний в нем, в целях варьирования величины пластической деформации, производится путем изменения термического режима. Однако это действие сопровождается одновременно изменением физико-механических свойств испытываемого материала (модуля упругости, предела текучести, теплопроводности и др.), которые, как и пластическая деформация, влияют на развитие разрушения и тем самым измеряемую долговечность N_p. Вследствие этого при трактовке результатов таких испытаний нельзя с полной достоверностью признать правильной экспериментально полученную зависимость долговечности N_p от пластической деформации в цикле ε_пл, которая используется оценке ресурса изделий в эксплуатации.

Заявляемое техническое решение позволяет изменять и задавать пластическую деформацию в цикле термоциклических испытаний, выполняемых при исследовании термической усталости. Способ позволяет реализовать полный цикл испытаний, предусмотренных программой, на одной и той же установке при сохранении термического режима. Благодаря этому исключается возможность воздействия посторонних факторов на результаты испытаний и обеспечивается их необходимая достоверность.

Предложенный способ варьирования пластической деформации осуществляют преимущественно на образцах корсетной формы при заданном термическом режиме термоциклических испытаний. Он включает проведение серии испытаний при неизменном термическом режиме на образцах корсетнойформы с различной величиной пластической деформации в цикле испытаний каждого из них, которая создается посредством изменения параметра геометрической формы образца. При этом, чтобы исключить возможность изменения иных факторов, которые могут повлиять на развитие термической усталости и долговечность, в каждом из испытаний выполняемой серии изменяют величину упругого удлинения (сжатия) образца, как части его стесненной свободной деформации, используя для этого образцы с различным радиусом кривизны его рабочей поверхности между головками.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображено изменение температуры при термоциклических испытаниях; на фиг. 2 - три типа образцов с различной формой заплечиков и соответствующие им распределения температур при различных T_max в центре; на фиг. 3 - зависимость пластической деформации в цикле испытаний ε_пл от T_max при T_min=20°С у образцов с тремя типами заплечиков; и фиг. 4 (таблицей 1), в которой представлена пластическая деформация ε_пл в цикле испытаний для образцов с различной формой заплечиков.

Жесткое стеснение свободного термического расширения и сжатия образца (ε₀), подвергаемого нагреву или охлаждению, осуществляют посредством фиксации его головок в блоке нагружения установки. Компенсация стесненного свободного термического удлинения образца достигается в результате упругой и пластической деформации материала (ε_упр и ε_пл), которые развиваются в рабочей части образца (в его центральной расчетной части и в заплечиках (ЗП), соединяющих ее с головками) по мере изменения температуры. Процесс включает следующие друг за другом полуциклы нагрева (T_min→Т_тах) и охлаждения (T_max→T_min). В начале полуцикла нагрева или охлаждения деформация является упругой во всем образце и сопровождается появлением напряжений сжатия при нагреве и растяжения при охлаждении. По мере изменения температуры напряжения возрастают, но они не одинаковы по длине - в расчетной части (l₀), имеющей наименьшую площадь сечения, напряжения имеют наибольшую величину. По мере приближения к головкам они постепенно уменьшаются вдоль заплечиков. В ходе изменения температуры ε_упр растет и одновременно с ней растут напряжения (σ) до тех пор, пока в центральной, расчетной части образца их уровень ни достигнет величины предела текучести материала (σ_0.2), что инициирует пластическую деформацию в нем. В дальнейшем по мере изменения температуры после начала пластической деформации изменение напряжений происходит в соответствии с температурной зависимостью предела текучести (σ_0.2) и с особенностями упрочнения материала (при наличии такового). Развитие пластической деформации (ε_пл) с этого момента происходит только в пределах расчетной части образца, где у него наименьшее сечение и наиболее высокие напряжения и температура. Этот этап в развитии термической усталости чрезвычайно важен, т.к. протекающая в нем пластическая деформация сопровождается необратимыми структурными изменениям, ведущими испытываемый материала от цикла к циклу в состояние благоприятное для зарождения трещин, а продолжительность этого этапа зависит от величины ε_пл в каждом цикле. Отслеживание зависимости продолжительности этапа от ε_пл в цикле представляет практический интерес при оценке ресурса.

Испытания на термическую усталость представляют собой процесс циклического нагрева исследуемого образца, который осуществляют посредством пропускания через него электрического тока и охлаждения в естественном режиме при отключении тока по достижении заданной максимальной температуры (T_max) в центре образца и повторном его включении при минимальной температуре (T_min). Цикл испытаний состоит из полуцикла нагрева и полуцикла охлаждения, как показано на фиг.1.

Результатом каждого испытания является число циклов до разрушения образца N_раз при заданной величине пластической деформации в цикле ε_пл. По полученным данным строится зависимость N_раз⁼f(ε_пл), которая используется при оценке ресурса материала в изделиях. Чтобы обеспечить выполнение предусмотренного программой испытаний варьирования пластической деформации в цикле ε_пл в пределах расчетной части образца, согласно предлагаемому способу, подготавливается партия образцов, которые отличаются формой своих заплечиков (ЗП). На фиг. 2 в качестве примера показаны три плоских образца корсетной формы из жаропрочного сплава ЖС32, которые позволяют получать в испытаниях по термическому режиму (T_min^↔T_max)⁼(20↔1000°C) различную пластическую деформацию в цикле ε_пл. Здесь же представлено распределение температуры по длине рабочей части каждого из них при достижении в центре максимальной температуры (T_max) в цикле испытаний. При нагреве корсетного образца, зафиксированного своими головками в нагружающем устройстве, его стесненное свободное термическое удлинение Δl_обр к омпенсируется его общим упругим сжатием Δl_упр, а также сжатием расчетной части образца (l₀), которое происходит вследствие протекающей в ней пластической деформации Δl_пл=ε_пл*l₀- Варьирование величины ε_пл в рассматриваемом способе осуществляется благодаря изменению Δl_обр и Δl_упр, которое создают, изменяя у образца профиль заплечиков и тем самым распределение температуры вдоль них. Однако в проводимой серии испытаний это позволяет сохранять термический режим в расчетной части образца, исключить воздействие посторонних факторов на развитие процесса и благодаря этому обеспечить необходимую достоверность получаемых результатов.

Приступая к испытаниям, изготавливается из исследуемого материала партия из 5 - 7 образцов с различным радиусом кривизны на рабочем участке и неизменным сечением в центре. Затем производится нагрев каждого до Т=T_max намеченных испытаний и измеряется в них распределение температуры по длине, необходимое для последующего расчета ε_пл. После этого для каждого типа образца производится расчет ε_пл. По полученным значениям ε_пл следует выбирать не менее 3-х образцов, у которых значения ε_пл располагаются наиболее удобно для последующих построений зависимости N_p=f(ε_пл). Затем изготавливается партия 3-х подобранных типов образцов, отличающихся радиусом кривизны (в количествах достаточных для статистики испытаний). Выполненные на них термоциклические испытания служат для построения зависимости N_p=f(ε_пл). В этом методе испытаний величина ε_пл варьируется, благодаря изменению радиуса кривизны от образца к образцу в подготовленной партии, в чем и состоит новизна предлагаемого технического решения.

Изобретение относится к способам исследования термической усталости, происходящей в изделиях, подвергающихся температурно-силовому воздействию, в испытаниях, моделирующих их разрушение, и может быть использовано в области машиностроения, газотурбинного двигателестроения. Сущность: осуществляют исследование термической усталости посредством циклических нагревов плоских корсетных образцов с цилиндрической формой боковой поверхности на рабочем участке между головками. Для этого осуществляют жесткую фиксацию образцов в захватах устройства нагружения для стеснения свободной термической деформации и проведение серии испытаний на нескольких образцах с изменением величины пластической деформации в цикле от одного испытания к другому. Величину пластической деформации в цикле испытаний изменяют, используя комплект образцов с различными радиусами кривизны их цилиндрической поверхности, соответствующими задаваемыми в испытаниях величинами пластической деформации в цикле, сохраняя термический режим во всей серии испытаний. Технический результат: повышение достоверности результатов испытаний. 4 ил.

Способ исследования термической усталости посредством циклических нагревов плоских корсетных образцов с цилиндрической формой боковой поверхности на рабочем участке между головками, включающий жесткую фиксацию образца в захватах устройства нагружения для стеснения свободной термической деформации, проведение серии испытаний на нескольких образцах с изменением величины пластической деформации в цикле от одного испытания к другому, отличающийся тем, что величину пластической деформации в цикле испытаний изменяют, используя комплект образцов с различными радиусами кривизны их цилиндрической поверхности, соответствующими задаваемыми в испытаниях величинами пластической деформации в цикле, сохраняя термический режим во всей серии испытаний.