Установки для изучения ползучести, диффузии и "схватывания" металлов и сплавов при нагреве в вакууме

Высокотемпературные испытания на ползучесть и длительную прочность при растяжении образцов в последние годы начали проводить при нагреве в вакууме. Для этой цели используются стандартные испытательные машины, оборудуемые вакуумными камерами, внутри которых помещаются электрические печи сопротивления, обеспечивающие нагрев образцов. Интересные работы в этой области выполнены В.А. Чеботаревым и А.С. Драчинским, а также другими авторами.

Оригинальная система нагрева образца, подвергаемого испытанию на ползучесть при растяжении и нагреве на воздухе до 1650 °С, создана в 1959 г. в США. В водоохлаждаемом металлическом корпусе вдоль высоты образца выполнено 30 пазов, в каждом из которых находится трубчатая кварцевая лампа мощностью 500 вт. Поверхность пазов хромирована и полирована, что обеспечивает хорошее отражение излучения. Ценная особенность данной системы нагрева — большая скорость нарастания температуры образца и практически полное отсутствие тепловой инерции у кварцевых ламп. Такая система нагрева особенно целесообразна для испытаний при циклических колебаниях температуры; кроме того, она дает возможность проводить длительные испытания на ползучесть.

Специальная установка типа ВПИ-С2, позволяющая одновременно испытывать на ползучесть при растяжении с нагревом до 1600 °C в вакууме 1*10в-4 мм рт. ст. шесть образцов, выполнена A.Л. Сотниченко.

На рис. 113, а помещена схема устройства рабочей камеры этой установки. Подвергаемые испытанию образцы 1 укрепляют в захватах 2, соединенных с тягами (нижней 3 и верхней 4). Нагрузка на каждый образец (до Рмакс = 600 кг) передается через стальной трос, связывающий нижнюю водоохлаждаемую тягу 3 через ролик 5 и фигурный рычаг 6 с рычагом нагружения. К последнему рычагу подвешивают грузы 7.

Рабочее положение фигурных рычагов 6 устанавливают при помощи зажимов, позволяющих изменять плечо рычага соответственно удлинению образца. Для снижения потерь на трение во всех подвижных соединениях машины, находящихся под нагрузкой, установлены шариковые подшипники.

При помощи рычажного устройства 8 деформация образца во времени автоматически записывается на диаграммную ленту. Перемещение нижней тяги, соответствующее величине деформации исследуемого образца, передается через изготовленную из инвара тягу 9 и рычажную систему 10 к перу, записывающему на диаграммной ленте (помещенной на вращающемся при помощи часового механизма барабане 11) удлинение образца в процессе опыта. Масштаб записи можно регулировать.

Герметизация подвижных нижних тяг 3 обеспечивается сильфонами 12, припаянными к этим тягам и к фланцам 13, которые прикреплены на вакуумном уплотнении к плите 14. Упоры 15 ограничивают перемещение тяг 3 и этим предохраняют сильфоны от повреждения при разрушении испытываемого образца.

Для нагрева образцов до высоких температур в установке ВПИ-С2 имеется нагреватель, выполненный из вольфрамовой проволоки в виде шести последовательно соединенных ячеек. Для снижения тепловых потерь служат молибденовые экраны.

При загрузке образцов металлический водоохлаждаемый колпак 16 рабочей камеры поднимается вверх. Перекос образцов устраняется применением радиально-сферических шариковых подшипников 17, установленных в верхней плите 18.

Для корректировки положения рычага с грузами 7 служит винтовое устройство 19.

Внешний вид рабочей камеры машины приведен на рис. 113,б.

При исследовании дорогих и дефицитных материалов в ряде случаев проводят испытания на высокотемпературную ползучесть при сжатии. В этих случаях используются малогабаритные образцы в виде цилиндров с отношением высоты к диаметру около 2.

В работе Н. Эллина и В. Кэррингтона приведено описание установки, схема вакуумной рабочей камеры которой показана на рис. 114.

Исследуемый образец 1 имел длину 6,4 мм и диаметр 3,2 мм и прижимался торцами к алундовым стержням 2 и 3; для центрирования образца служила обойма 4 из нихромового сплава.

Нагружение на образец передавалось в вакуумную камеру, состоящую из плиты 5 и водоохлаждаемого металлического колпака 6, через сильфон 7 при помощи рычага 8.

Образец нагревался платиновой печью сопротивления 9 с точностью ±5°С. Для контроля температуры служила термопара 10, спай которой находился в корпусе обоймы 4.

Остаточное давление в вакуумной камере при проведении испытаний составляло 10в-2 мм рт. ст.

О величине деформации образца под действием грузов 11 можно судить по показаниям стрелочного микронного индикатора 12.

Несколько более совершенна испытательная машина, сведения о которой опубликованы в 1960 г. Цилиндрические образцы диаметром 4,5 мм и длиной 7,6 мм подвергаются сжатию при нагреве до 1200°С в вакууме 10в-6 мм рт. ст. Градиент температур по длине образца составляет около 1°. Миниатюрная электрическая печь сопротивления, находящаяся внутри вакуумной камеры, имеет мощность всего около 100 вт и работает при напряжении 16 в.

Испытания, проведенные на двух последних установках, дали вполне удовлетворительные результаты.

He менее важно исследование процесса «схватывания» при кратковременном контактировании двух поверхностей при различных температурах и нагрузках, приводящего к прочному соединению объектов в зоне соприкосновения под влиянием развития диффузии.

Для изучения зависимости процесса схватывания от температуры, удельного давления и длительности нагружения осуществляется контактирование между двумя образцами, один из которых имеет наконечник в форме полусферы, а второй выполняется в виде диска. При этом если плоский образец расположен даже не строго перпендикулярно к оси сферы, контактирование происходит в одной точке. В результате деформации сферического образца при данных температуре, нагрузке и времени контактирования в зоне касания возникает площадка. После охлаждения образцы, соединившиеся в результате схватывания, отрывают один от другого и определяют необходимое для этого усилие Pр и площадь контактирования Sр. Эту площадь находят по величине диаметров отпечатков, измеренных на приборе типа ПМТ-3 или на микроскопе, снабженном окулярным микрометром.

Соотношение между значениями Рр и Sp (к = Pp/Sp кг/мм2) служит характеристикой данной пары материалов при заданных температуре, времени контактирования и окружающей газовой среде. Следует отметить, что исследования закономерностей схватывания выполнены нами при нагреве в вакууме 10в-4—10в-5 мм рт. ст. Целесообразно также изучать влияние на схватывание различных газовых сред и в первую очередь тех составов, которые обычно являются рабочими для данных материалов.

Следует указать, что для проведения опытов по схватыванию при нагрузке до 10 кг и нагреве до 1100—1200° С можно использовать механизм шестишпиндельного прибора для измерения твердости. В тех случаях, когда нагрузка превышает 1 кг, должны работать только две из шести позиций прибора, расположенные одна против другой по диаметру камеры, что определяется условиями размещения грузов внутри нее. Подъем и опускание грузов вместе со штоками, в которые вместо алмазных наконечников устанавливают указанные выше образцы с поверхностью в виде полусферы, производится при вращении вала исполнительного механизма, воздействующего через вакуумное уплотнение на перемещение грузов внутри камеры.

Нагрузка до 10 кг на зону контактирования позволяет моделировать различные процессы, возникающие при соприкосновении деталей машин.

Однако изучение многих процессов, например силового резания и иных, требует моделирования условий контактирования с удельными нагрузками до нескольких сот кг/мм2.

На рис. 115 показано устройство рабочей камеры установки для исследования схватывания, диффузии и ползучести металлов и сплавов при нагреве и сжатии в вакууме до 1300 °С и воздействии на образцы нагрузки более 1000 кг. Эта камера была спроектирована и выполнена при содружестве Института машиноведения АН СССР и НИАТ.

Вакуумная рабочая камера установки состоит из стальной плиты 1 размером 300x300x50 мм3, расположенной на каркасе 2, и медного водоохлаждаемого колпака 3, имеющего внутренний диаметр 250 мм и высоту 450 мм.

Колпак охлаждается проточной водой, пропускаемой по медной трубке, припаянной в виде бифилярной спирали к наружной его поверхности. Стрелками на схеме обозначено направление движения воды.

Через плиту 1 и прикрепленный к ней стальной диск 4 проходят медные токоподводящие электроды 5 и 6. Эти электроды изнутри охлаждаются проточной водой; они тщательно герметизированы в плите и электрически изолированы от нее и диска на рабочее напряжение до 10 в.

Нагреватель 7 изготовлен из листового молибдена толщиной 0,4 мм в виде трубки длиной 100 мм, диаметром 20 мм. Нагреватель снабжен выводами из пакетированных накладок, собранных из молибденовых полос. Эти выводы присоединены к электроду 5 и медной накладке 8, которая связана гибкой медной перемычкой 9 с накладкой 10, укрепленной на втором электроде 6. Гибкая медная перемычка необходима для того, чтобы предотвратить деформацию нагревателя при изменении его длины в процессе нагрева.

Для уменьшения потерь на излучение служат экраны из листового молибдена толщиной 0,3—0,4 мм. Экраны, расположенные над нагревателем, обозначены цифрой 11, снизу — 12, а охватывающие нагреватель экраны 13 выполнены разъемными и состоят из двух частей, одна из которых может отодвигаться на скобе 14, обеспечивая доступ к нагревателю.

При исследовании схватывания в качестве верхнего образца 15 используют цилиндрический стержень, диаметром 8 мм и длиной 36 мм. На одном конце образца делают резьбу М6 для ввинчивания его в шток 16. Второй конец образца имеет форму полусферы с радиусом 4 мм, что обеспечивает, как указывалось выше, практически точечный контакт при соприкосновении с нижним образцом, выполненным в виде диска диаметром 12 мм и высотой около 5 мм. Нижний образец 17 помещают в подставке 18.

При изучении диффузии рекомендуется пользоваться цилиндрическими образцами диаметром 10—12 мм и высотой 5—8 мм; одну из торцовых поверхностей образцов шлифуют и полируют. Полированными участками образцы накладывают один на другой.

Для исследования процесса ползучести при сжатии и нагреве в вакууме применяют образцы в виде цилиндриков диаметром 3—5 мм и высотой 6—10 мм. Чтобы предотвратить схватывание образцов с подставкой и штоком, последние снабжают насадками из керамики или термокорунда.

О величине деформации образца можно судить по показаниям стрелочного индикатора, соединяемого с механизмом нагружения.

Шток 16 с укрепленным к нему образцом можно перемещать в планке 19 и втулке 20, установленных на стойках 21.

Пружина 22 обеспечивает расположение штока 16 в крайнем верхнем положении, которое и показано на рассматриваемой схеме.

Устройство для передачи давления на изучаемые образцы, нагреваемые в вакууме, состоит из следующих элементов.

В верхней части колпака 3 имеется патрубок, снабженный фланцем. Последний на резиновом кольцевом уплотнении сопрягается с фланцем 23, к которому припаян край сильфона 24. Второй край сильфона припаян к стальному диску 25, в котором со стороны вакуумной камеры высверлено отверстие на глубину 10 мм, снабженное резьбой. В резьбу ввинчен стержень 26, соприкасающийся со штоком 16. В верхней части диска 25 прикреплено основание 27 шарового поворотного соединения. На это основание навинчивается крышка 28, фиксирующая шаровой выступ 29, представляющий часть тяги, на конце которой нарезана левая резьба, входящая в гайку 30. Стержень 31, снабженный правой резьбой, входит в гайку 30 и, кроме того, соединяется с вилкой 32. При вращении гайки 30 расстояние между осью 33 и диском 25 может быть уменьшено или увеличено, что необходимо для наладки системы нагружения. Скоба 34, приваренная к стальной стойке 35, служит опорой для рычага 36, поворачивающегося на оси 37.

Передвижная накладка 38, снабженная стопорным винтом 39, позволяет изменять расстояние от оси 37 до точки приложения нагрузки к рычагу 36.

Вилка 40, ,прикрепленная к накладке 38 на оси 41, соединена тягой 49 с шайбой 43, на которую опираются сменные грузы 44.

При отношении плеч рычага R и r, равном 1:10, и общем весе грузов 45, равном 100 кг, на образцы может быть передана нагрузка более 1000 кг (с учетом атмосферного давления на сильфон и за вычетом усилия пружины 23).

О моменте контактирования образцов сигнализируют электрический звонок и неоновая лампа, соединенные с изолированным от подставки 18 нижним образцом 17 и подключенные через вспомогательный трансформатор к верхнему образцу 15, который электрически связан с системой заземления установки.

При соприкосновении образцов 15 и 17 замыкается цепь звонка и сигнальной лампы. Благодаря такой сигнализации можно судить о том, произошло ли схватывание в процессе опыта (сигнал при разгрузке установки свидетельствует о том, что нижний образец не отделился от верхнего).

На рис. 115 показано положение, когда образцы 15 и 17 не находятся в контакте. При изучении схватывания рекомендуется предварительный прогрев образцов в вакууме до 1000оС (при отсутствии их контактирования между собой). В результате такого прогрева удаляется основная масса адсорбированных и окклюдированных газов, после чего уже можно осуществлять контактирование образцов при требуемой температуре и нагрузке.

Чтобы достигнуть контакта образцов в вакууме, рычаг 36 необходимо переместить на некоторый угол вниз. Для выполнения этой операции служит винтовой домкрат, состоящий из упора 45 и втулки 46, снабженной рукоятками 47 и укрепленной на винте с червячной резьбой 48.

Стойка 49 в верхней части снабжена резьбой и расположена возле установки.

Остаточное давление в вакуумной рабочей камере при проведении опытов, связанных с нагревом образцов до 1300 °С, составляет около 5*10в-5 мм. рт. ст.

На рис. 116 показан внешний вид описанной выше рабочей камеры установки. Для перемещения колпака 1 при разгрузке и загрузке рабочей камеры используют подъемное устройство в виде трубы 2, внутри которой расположен груз, уравновешивающий колпак и позволяющий при нажатии на рукоятку 3 плавно его поднимать или опускать (при помощи троса 4 и тяг 5). Для отвода колпака в сторону служит рукоятка 6.

Габаритные размеры каркаса установки составляют 600х1000 мм2 в плане; высота выступающей части каркаса равна 700 мм при наибольшей его высоте 1800 мм.

Установка проста в обслуживании, надежна и безотказна в работе.