Испытания на длительную прочность

Предел ползучести характеризует напряжение, под действием которого материал может длительное время работать, не подвергаясь значительной деформации. Однако он ничего не говорит о сопротивлении материала разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения. Для оценки этой сопротивляемости проводят специальные испытания на длительную прочность (ГОСТ 10145 – 81). В результате испытаний определяют предел длительной прочности – условное напряжение, под действием которого материал при данной температуре разрушается через заданный промежуток времени.

Иногда предел длительной прочности не рассчитывают, ограничиваясь установлением соответствия между временем до разрушения (долговечностью) под действием заданного напряжения и нормой времени, устанавливаемой стандартом или техническими условиями на металлопродукцию.

Методика проведения испытаний близка к методике испытаний на ползучесть. Используются те же схемы нагружения (обычно растяжение) и те же испытательные машины. Основные цилиндрические образцы стандартизованы. Они должны иметь рабочую часть диаметром d ₀= 5, 7 или 10 мм и расчетную длину l ₀=5 d ₀ или 10 d ₀. Допускаются другие пропорциональные образцы, но их диаметр должен быть не меньше 3 мм. У плоских образцов

l ₀= 5,65,

где F ₀ – начальная площадь поперечного сечения. Конструкция головок и способ их крепления в захватах аналогичны применяемым при испытаниях на ползучесть.

Абсолютные размеры образцов могут заметно сказываться на характеристиках длительной прочности, в первую очередь из-за разного отношения их поверхности к объему. У образцов малого диаметра поверхностный слой, в котором преимущественно образуются трещины, относительно более развит, и поэтому их долговечность может быть ниже, чем у больших образцов.

Для определения предела длительной прочности необходимо провести испытание нескольких, по крайней мере пяти-шести образцов при разных напряжениях. Основным результатом испытания каждого образца является время до разрушения τ_р при заданном напряжении σ. Связь между τ_р и σ хорошо апроксимируется уравнением

τ_р = B σ^-m, (2.40)

где B и m – коэффициенты.

В логарифмических координатах эта зависимость прямолинейна и, следовательно, дает возможность экстраполировать результаты на более длительное время. Определив время до разрушения образцов, находившихся под напряжением, заведомо большим предполагаемого предела длительной прочности (чтобы сократить время испытания), строят по экспериментальным точкам прямую lg σ – lg τ_р и после ее экстраполяции до заданного времени оценивают величину этого предела (рис. 2.85, кривая l). По стандарту рекомендуемый допуск по времени составляет от 50 до 10000 ч и определяется, как и в случае предела ползучести, требованиями к испытываемому материалу.

Иногда зависимость lg σ – lg τ_р имеет точку перелома (см. рис. 2.85, кривая 2). Она соответствует переходу от внутрикристаллитного или смешанного разрушения к полностью межкристаллитному разрушению при низких напряжениях. В таких случаях экстраполяцию можно проводить, если надежно установлен наклон прямой в области межкристаллитного разрушения.

Обработку первичных результатов испытаний и определение предела длительной прочности, как и предела ползучести, следует проводить с использованием статических методов. В частности, построение прямых в логарифмических координатах (lgσ – lg v _п.уст., lgσ - lgτ_р) нужно выполнять методом наименьших квадратов с оценкой величины доверительного интервала.

Обозначение предела длительной прочности σ сопровождается двумя индексами: вверху записывают температуру испытания, °C, внизу – заданную долговечность, ч. Например, σ- предел 1000-ч прочности при 900°C.

Помимо предела длительной прочности, в этих испытаниях оценивают характеристики пластичности – относительное удлинение и сужение. Часто деформация фиксируется и в процессе испытания. В результате может быть построена полная кривая ползучести, а по ней определена величина относительного удлинения к концу стадии установившейся ползучести (см. рис. 2.80, δ_пл). Эту величину считают характеристикой запаса длительной пластичности материала, она обычно значительно меньше конечного удлинения на стадии разрушения.

При высокотемпературных испытаниях на длительную прочность, когда образцы доводят до разрушения, каждый из них последовательно проходит все три стадии ползучести и величина предела длительной прочности определяется поведением материала на всех стадиях, в том числе на стадии разрушения. Факторы, препятствующие развитию пор и трещин, способствуют повышению предела длительной прочности. Таким образом, предел длительной прочности характеризует способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения.