Установки для определения упругих свойств металлов и сплавов при высокотемпературном нагреве в вакууме

При повышении температуры в материалах развиваются неупругие явления, к которым относятся, например, ползучесть и релаксация напряжений. Поэтому очень важно определение температурной зависимости модуля упругости для материала деталей, работающих в нагретом состоянии.

Модуль упругости при обычных статических испытаниях вычисляют по экспериментальным данным, получаемым при определении предела пропорциональности. При этом точность определения модуля упругости зависит от стабильности скорости нагружения и температуры во время испытания, постоянства параметров измерительной системы и техники обработки экспериментальных графических данных. Следует отметить, что модуль упругости, определенный статическим методом, всегда в той или иной мере является «релаксированным», так как на чисто упругую деформацию образца накладываются деформации, связанные с ползучестью и упругим последействием. Поэтому величина модуля упругости зависит от длительности испытания.

Особенно сильно влияют эти факторы на величину модуля упругости при высоких температурах; по мере увеличения температуры возрастает ошибка при определении его величины.

При приложении к образцу знакопеременной нагрузки, высокой частоты и малой амплитуды неупругие процессы не успевают развиться и не могут повлиять на результаты испытаний. Этим можно объяснить то, что в последнее время широкое распространение получили динамические (вибрационные) методы измерения модуля упругости. Получаемые при этом значения достаточно точны, поскольку этот способ свободен от недостатков, присущих статическим методам.

Для определения динамического модуля упругости в различных установках используют три типа колебаний образца: продольные и поперечные колебания для определения модуля нормальной упругости E и крутильные колебания — для определения модуля сдвига G.

Для расчета деталей машин, работающих в условиях вибрации, важное значение имеет определение способности конструкционных материалов к поглощению энергии колебаний и ее рассеянию в самом материале детали. Это явление называют внутренним трением. Оно сказывается в превращении части упругой энергии в тепловую в процессе циклического нагружения материала в упругой области.

Наличие внутреннего трения достаточно убедительно подтверждает тот факт, что свободные колебания образца затухают даже в том случае, когда он находится в вакууме и изолирован от других предметов. При отсутствии внутреннего трения амплитуда образца, к которому приложена переменная внешняя сила, действующая с резонансной частотой, должна была бы безгранично возрастать. Однако практически амплитуда колебаний всегда имеет конечное значение.

Внутреннее трение в зависимости от величины приложенных напряжений может быть классифицировано следующим образом: а) микропластическое внутреннее трение, определяемое при повышенных напряжениях, часто близких к служебным, и б) диффузионное или релаксационное внутреннее трение, определяемое при очень малых нагружениях, которые не могут вызвать изменения структурного состояния материала.

По величине микропластического внутреннего трения можно производить подбор материалов, предназначаемых для изготовления деталей, работающих в режимах знакопеременной нагрузки.

Примерами первого вида деталей могут служить лопатки турбореактивных двигателей. Во время работы в лопатках могут возникать колебания со значительными амплитудами; результатом действия этих колебаний могут явиться трещины, а затем и разрушение лопаток. Для такого вида деталей необходимы материалы, обладающие высокими значениями внутреннего трения.

К числу деталей, работающих при втором виде нагружения, относятся, например, различные пружины и диафрагмы, применяемые в ряде ответственных приборов и механизмов. В этих случаях нужны материалы, обладающие наименьшим внутренним трением.

Возможность определения диффузионного внутреннего трения, особенно при различных температурах, представляет большой интерес для исследования ряда важнейших процессов, протекающих в сплавах. Рассеяние упругой энергии колебаний в существенной мере зависит от физико-химического состояния исследуемого материала и является весьма чувствительной характеристикой процессов, протекающих в материале при изменениях его энергетического состояния. Этим можно объяснить частое и успешное применение в последние годы метода внутреннего трения для исследований в области физики металлов и металловедения. Примерами такого рода изысканий являются изучение диффузии, определение границ предельной растворимости отдельных компонентов сплавов, экспериментальная проверка степени упорядочения сплавов и др.

Прямой метод оценки внутреннего трения мог бы быть основан на вычислении отношения AW/W, где Aw — энергия, рассеянная за один цикл колебаний, a W — упругая энергия образца в момент максимальной деформации. Соотношение —называют обычно «удельным рассеянием энергии». Существующие методы определения внутреннего трения основаны на предположении, что восстанавливающие силы пропорциональны амплитуде колебания, а «диссипативные» (рассеивающие) силы пропорциональны скорости колебаний.

При этих условиях отношение двух последующих амплитуд An/An+1 свободных колебаний оказывается постоянным. Натуральный логарифм этого отношения называют «логарифмическим декрементом» b = In An/An+1 и принимают за меру внутреннего трения.

Внутреннее трение может быть оценено также и по остроте резонансного пика при вынужденных колебаниях. График частотной зависимости амплитуды колебаний образца имеет максимум при резонансной частоте и резко падает по обе стороны от этой точки. Меньшему внутреннему трению соответствует более острый пик, а с увеличением внутреннего трения ширина резонансного пика увеличивается.

Можно показать, что при малом внутреннем трении имеют место следующие соотношения:

где Af — изменение частоты силы, возбуждающей колебания в образце, необходимое для изменения амплитуды этих колебаний в пределах от половины максимального значения амплитуды по одну сторону от точки резонанса, до половины максимального значения амплитуды по другую сторону от этой точки.

Следовательно, при малом внутреннем трении удельное рассеяние энергии равно удвоенному логарифмическому декременту, а полуширина резонансного пика равна логарифмическому декременту, умноженному на V3/п. Подставляя значение б, найденное из соотношения (48), в (47), получим выражение удельного рассеяния энергии через полуширину резонансного пика

Для оценки величины внутреннего трения может служить определение полуширины резонансного пика. Ho для этого необходимо измерять задающую частоту с очень высокой точностью. Так как для многих материалов величина V3/п b = Af/f имеет порядок 10в-3, то при данном методе необходимо измерять частоту с точностью не менее 0,1%. Имея в виду, что Af является разностью частот, между которыми лежит значение резонансной частоты, также подлежащей определению, следует считать необходимым еще более высокую точность измерения частоты — порядка 0,01%. Осуществление измерений частоты с такой точностью вызывает большие трудности.

Поэтому наибольшее распространение для оценки внутреннего трения получил метод, основанный на измерении логарифмического декремента затухания свободных колебаний исследуемого образца. Так как измерение двух соседних амплитуд при низкой частоте с достаточной точностью весьма затруднительно, а при высоких частотах (звуковых и ультразвуковых) неосуществимо, то логарифмический декремент b = In An/An+1 обычно усредняют по определенному числу колебаний. Тогда

где А — начальная амплитуда и An — амплитуда n-го цикла. Общепринятым является усреднение b по времени уменьшения амплитуды колебаний вдвое. В этом случае An = A/2, следовательно, b = In2/n. Если принять частоту колебаний f в процессе затухания неизменной, то n = fx, где т — время уменьшения амплитуды вдвое.

Следовательно, усредненный по времени половинного затухания логарифмический декремент может быть выражен равенством

Таким образом, оценка величины внутреннего трения при известной частоте сводится к определению времени половинного затухания т. Экспериментальные методы определения величины т рассматриваются нами ниже.

Для возбуждения продольных колебаний могут быть применены электромагнитный, пьезоэлектрический и электростатический методы. При электромагнитном методе колебания возбуждаются в результате воздействия на ферромагнитный образец (или на ферромагнитную насадку, укрепленную на образец из немагнитного материала) переменного электромагнитного поля. Примером использования электромагнитного возбуждения продольных колебаний может служить метод, предложенный Б. А. Остроумовым. На рис. 106, а приведена принципиальная схема прибора. Образец 1, имеющий форму цилиндрического стержня, укреплен посредине на трех тонких иглах 2, размещаемых под углом 120° по отношению один к другому.

Образец нагревают в электрической печи 3. Продольные колебания возбуждаются электромагнитом 4, обмотка которого получает питание от источника токов звуковой частоты 5. Для увеличения эффекта взаимодействия между образцом и электромагнитом 4, образец подмагничивают при помощи индуктора 6, соединенного с источником постоянного тока 7. Для настройки колебаний образца на резонанс изменяют частоту, подводимую к электромагниту 4, а момент резонанса улавливают на слух (по специфическому звучанию образца при резонансе задающей и собственной частот образца).

Для возбуждения в образце продольных колебаний можно также применить пьезоэффект таких материалов, как кварц или титанат бария: они изменяют свои размеры в такт колебаниям приложенного к ним переменного электрического напряжения. Для этого к торцовой поверхности образца приклеивают пьезоэлектрический кристалл. К этому кристаллу прикладывают переменное напряжение с частотой, соответствующей резонансной частоте образца.

Примером может служить установка, предложенная Н.С. Агеевой и др., позволяющая измерять модуль упругости и декремент затухания в материалах при частотах ультразвукового диапазона и комнатной температуре. Основной элемент этого прибора — резонансный пакет, состоящий из двух одинаковых частей образца, склеенных с прокладкой из того же материала через два кристалла пьезокварца. Резонансный пакет свободно подвешивают за находящуюся в его средней части прокладку. Емкость и потери в кристаллах пьезокварца зависят от механического сопротивления испытываемого материала, измеряют их при помощи обычного электрического ку-метра.

Существенный недостаток электромагнитного и пьезоэлектрического методов возбуждения колебаний — ограниченный диапазон температур, в пределах которого можно применять эти методы. Наибольшей температурой при электромагнитном методе возбуждения является точка Кюри (потеря магнитных свойств), а при пьезоэлектрическом — температура исчезновения пьезоэффекта, составляющая для кварца ~500°, а для других материалов (титанат бария, сегнетова соль) — менее 100°.

Наиболее перспективный в этом отношении — метод электрического возбуждения продольных колебаний, основанный на использовании пондеромоторной силы плоского конденсатора. На рис. 106, б приведена принципиальная схема рабочей камеры установки для определения (путем использования электростатического возбуждения) модуля упругости и логарифмического декремента затухания металлов и сплавов при нагреве. Изучаемый образец 1 укреплен посредине на заземленной опорной призме 2. Параллельно торцам образца, на малом расстоянии от них, размещены неподвижные пластины 3 и 4. Они образуют с торцами образца плоские конденсаторы, из которых один служит возбудителем и соединен с генератором высокой частоты 5, а другой — приемником колебаний образца, вызывающих изменение его емкости. Этот конденсатор присоединен к блоку 6 электронного автоматического сравнения емкости данного конденсатора с эталоном. Напряжение с этого блока поступает на усилитель 7.

Эталонный кристаллический генератор 8 и катодный осциллограф 9 служат для определения резонансной частоты колебаний образца, что позволяет вычислять модуль упругости. Момент резонанса находят по максимуму напряжения на выходе усилителя 7, измеряемого ламповым вольтметром 10. Для определения логарифмического декремента используют электронный прибор, не показанный на данной схеме и подробно описанный в работе А. Смита. Для нагрева исследуемых образцов служит электрическая печь 11.

Для определения модуля сдвига и логарифмического декремента затухания при нагреве широко применяется метод крутильных колебаний, разработанный Т.С. Кэ. Принципиальная схема «крутильного маятника» Т.С. Кэ дана на рис. 106, в. Исследуемый образец 1 выполняют в виде проволоки диаметром около 0,8 мм, длиной 150—300 мм. Образец вертикально укрепляют в захватах 2 и 3. Захват 2 неподвижен, а захват 3, свободно висящий на образце, несет стержень 4 с грузами 5 и 6, а также зеркальце 7. Грузы 5 и 6 могут быть укреплены на стержне 4 на разном расстоянии от оси захвата 3. Напревают образец в электрической печи 8.

При испытаниях образец закручивается на некоторый угол в результате поворота рычага 4 с грузами 5 и 6, после чего рычаг отпускается и вся подвесная система начинает совершать затухающие крутильные колебания. Модуль сдвига вычисляют по частоте этих свободных колебаний, затухание которых записывают на светочувствительную бумагу световым лучом, отражающимся от зеркальца 7.

Для предупреждения раскачивания крутильного маятника служит жидкостный демпфер 9. Показанный пунктиром груз 10 можно использовать для изучения влияния статических напряжений на внутреннее трение в материале образца.

Для устранения окисления проволочных образцов во время испытания при высоких температурах, по методу Т. С. Кэ, в Московском институте стали в 1955 г, была создана установка типа РКФ-МИС-2, основанная на том же принципе, что и описанная выше, но позволяющая нагревать образцы в вакууме.

Ниже будет подробно рассмотрена оригинальная конструкция аналогичного, но более совершенного прибора, выполненного немецкими исследователями в 1961 г.

На рис. 106, г приведена принципиальная схема прибора, предложенного В.А. Журавлевым и предназначенного для измерения методом изгибных колебаний модуля упругости при нагреве.

Прибор дает возможность исследовать образец 1 в форме цилиндрического стержня, подвешиваемого горизонтально на двух тонких проволочках 2 и 3, укрепляемых к неподвижному кронштейну 4. Для нагрева образца служит электрическая печь 5. Изгибные колебания возбуждаются электромагнитом 6, получающим питание от генератора звуковой частоты 7. Момент резонанса при измерении частоты генератора 7 определяется на слух.

Метод изгибных колебаний для определения логарифмического декремента затухания при высоких температурах применен Г.С. Писаренко. На рис. 106, д показана принципиальная схема предложенного им устройства.

Вибрирующая система, состоящая из исследуемого образца 1 и двух массивных захватов 2 и 3, подвешивается в узлах колебаний (для уменьшения внешних потерь при вибрации) на двух тонких проволоках 4 и 5. Для возбуждения изгибных колебаний в образце служат две пары электромагнитов 6 и 7, расположенных таким образом, чтобы вызывать чистый изгиб образца. Для нагрева образца предназначена электрическая печь 8, находящаяся возле средней части подвесной системы.

Затухание колебаний после выключения напряжения, питающего электромагниты, записывается на светочувствительной бумаге лучом света, отражаемым от зеркальца 9, находящегося на захвате 3 в узле колебаний.

Точность определения модуля упругости всеми описанными выше методами примерно одинакова и дает равноценные результаты, вполне достаточные для суждения о температурной зависимости этой важной характеристики.

Иначе обстоит дело с определением логарифмического декремента затухания, характеризующего внутреннее трение, которое зависит от таких факторов, как тип колебаний, амплитуда напряжений и их частота. Поэтому следует отметить, что преимуществом обладают те методы, при которых затухание происходит с минимальными внешними потерями (например, методы Г.С. Писаренко и Т.С. Кэ). Достоинством этих методов является также возможность исследования влияния частоты и амплитуды напряжения на логарифмический декремент. Однако эти методы не лишены недостатков. В установке Г.С. Писаренко вследствие неравномерного нагрева образца и дополнительных масс, укрепляемых на нем, трудно определять модуль упругости и можно судить только о рассеянии энергии при вибрации образцов и нагружении, моделирующих работу в эксплуатационных условиях. Метод Т.С. Кэ в ряде случаев не применим из-за невозможности изготовления проволочных образцов.