Жаропрочность металлов: определение, характеристики и методы испытаний

В процессе эксплуатации многие детали силовых установок и промышленного оборудования нагреваются до экстремальных температур, достигающих 1000°С и более. Для таких компонентов критически важной характеристикой является жаропрочность — способность конструкционных материалов сохранять необходимые механические свойства и структурную целостность под воздействием высоких температур. Стандартные механические характеристики, определяемые при комнатной температуре, не дают объективного представления о поведении материалов в высокотемпературных условиях. Это обусловлено значительным снижением числовых значений предела прочности и предела текучести при нагреве, а также возникновением новых физических явлений, таких как ползучесть.

На рис. 2.5 наглядно продемонстрировано, как с ростом температуры происходит снижение прочностных свойств металлов. Вторым фундаментальным фактором, влияющим на работоспособность при повышенных температурах, является длительность приложения нагрузки. В условиях комнатной температуры явление ползучести у большинства металлов практического значения не имеет. Однако при длительном воздействии высоких температур под постоянной нагрузкой металлы и сплавы подвергаются непрерывной пластической деформации, то есть проявляется свойство ползучести, когда материал буквально «ползет», деформируясь с течением времени.

Рис. 2.5. Зависимость предела прочности и текучести от температуры

Для комплексной оценки сопротивления материалов высоким температурам используют три основных критерия: предел кратковременной прочности, предел длительной прочности и предел ползучести. Предел кратковременной прочности (σ_в) определяется по методике, аналогичной стандартным испытаниям на растяжение, но с обязательным нагревом образца до заданной рабочей температуры. Данный параметр применяется для расчета на прочность деталей, работающих в условиях высокого теплового воздействия весьма непродолжительное время, например, секунды или минуты.

Для элементов конструкций, находящихся под нагрузкой в условиях высоких температур длительное время, ключевым параметром становится предел длительной прочности. Под этим термином понимается напряжение, которое вызывает разрушение стандартного образца при заданной температуре через конкретный установленный промежуток времени. Примером записи может служить обозначение = 250 МПа, которое расшифровывается как напряжение 250 МПа, вызывающее разрушение при температуре 600 °С через 100 часов непрерывного воздействия.

Для деталей, рассчитанных на эксплуатацию в высокотемпературных условиях в течение сверхдлительных периодов, нормируют предел ползучести. Для его определения проводят специализированные испытания, в ходе которых фиксируют диаграмму ползучести, отображающую зависимость деформации от времени. На рис. 2.6 представлена типовая диаграмма ползучести, которая состоит из трех характерных участков, соответствующих трем стадиям этого процесса. Каждая стадия описывает определенный механизм взаимодействия упрочнения и разупрочнения материала.

Рис. 2.6. Диаграмма ползучести

На первом участке диаграммы ползучести процесс протекает с постепенно уменьшающейся скоростью, что визуализируется пологим характером кривой. На этой начальной стадии упрочнение материала вследствие наклепа от пластической деформации преобладает над разупрочняющим влиянием высокой температуры. Второй участок характеризуется установившейся скоростью ползучести и на графике часто отображается как прямая линия; здесь наблюдается динамическое равновесие между процессами упрочнения и разупрочнения. Третий участок, где кривая круто поднимается вверх, знаменует фазу ускоренной деформации, ведущей к разрушению, так как разупрочнение начинает доминировать.

Инженерный расчет предполагает, что при высокой температуре детали машин должны работать в условиях, соответствующих второму, установившемуся участку ползучести. Длительность работы на этом этапе может варьироваться в широких пределах: от 1000 часов (около 41,7 дня) до 100 тысяч часов (примерно 11,4 лет). За этот срок суммарная деформация металла не должна превысить заданную величину, обычно составляющую от 0,1% до 1%.

Таким образом, пределом ползучести называется максимальное механическое напряжение, которое при заданной температуре и в течение конкретного промежутка времени вызывает определенную величину деформации, например, в 1%. При обозначении этого параметра обязательно указывают температуру испытания, допустимое удлинение и время. Запись = 200 МПа означает, что для удлинения образца на 1% за 1000 часов при температуре 600 °С требуется напряжение в 200 МПа. Превышение этого напряжения неизбежно приведет к увеличению суммарной деформации сверх установленного норматива.