ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
СОЮЗА ССР
ЕДИНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ И СТАРЕНИЯ
МЕТАЛЛЫ, СПЛАВЫ,
ПОКРЫТИЯ ЖАРОСТОЙКИЕ
МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НА ТЕРМОУСТАЛОСТЬ В ГАЗОВЫХ
ПОТОКАХ НА КЛИНОВИДНЫХ ОБРАЗЦАХ
И
10 коп. БЗ 1—89/18
здание официальноеГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ
Москв
а
УДК 621.793:006.354 ГруппаТЬ^
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ С Т А Н Д А Р Т С О Ю 3 А ССР ввввииививвштяиввивияиивиииви
Е
ГОСТ
9.910—88
Метод испытания на термоусталость в газовых
потоках на клиновидных образцах
Unified system of corrosion and ageing protection. Metals, alloys, heat-resistant coatings.
Method of thermal fatigue testing of wedge shaped
specimens in gas flows
ОК.СТУ 0009
Срок действия с 01.01.90 до 01.01.95
Настоящий стандарт устанавливает метод испытаний на термоусталость жаропрочных сталей и сплавов, жаростойких покрытий при многократном воздействии неоднородных полей температур и термических напряжений в условиях повышенных температур и газового потока.
Настоящий стандарт распространяется на область циклического нагружения на базе от 102 до 10б циклов.
Настоящий стандарт не распространяется на:
металлические порошковые, металлокерамические, керамические и композиционные материалы;
методы испытаний на термоусталость материалов при одновременном воздействии циклической термической и длительной статической нагрузок при высокой температуре, а также когда эрозионные и коррозионные повреждения являются определяющими.
Термины, определения и обозначения, применяемые в стандарте,— по ГОСТ 23207 и ГОСТ 25.505. Пояснения к терминам приведены в приложении 1.
СУЩНОСТЬ МЕТОДА
М
Издание официальное
★
Перепечатка воспрещена
© Издательство стандартов, 1989Настоящий стандарт регламентирует метод испытаний на термоусталость металлов и сплавов, жаростойких покрытий на клиновидных образцах, которые позволяют в процессе испытаний воспроизвести на кромке образца условия повреждения и разрушения материала, подверженного действию нестационарных неоднородных полей температур, термических напряжений и газового потока.
Нагружение образцов осуществляется циклическим температурным воздействием, обусловливающим возникновение в образце неоднородного поля температур, деформаций и напряжений.
В результате испытаний получают сравнительные характеристики термоусталости, которые используют при выборе материалов и покрытий, оценках влияния на прочность технологических факторов (поверхностного упрочнения, термической обработки и т. п.) и оценке долговечности элементов конструкций, работающих при неоднородном термонапряженном состоянии в газовом потоке.
Одновременное испытание серии клиновидных образцов с различными геометрическими размерами позволяет повысить информативность испытаний и охватить спектр режимов нагружения.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ИСПЫТАНИЙ И РАЗМЕРОВ ОБРАЗЦОВ
Испытание металлов и сплавов, в том числе с жаростойкими покрытиями, при неоднородном тепловом и тер’монапряжен- ном состоянии проводят на образцах, имеющих форму клиновидной призмы (черт. 1).
Режим нагружения образцов задается с учетом реальных условий эксплуатации материала и должен в наиболее полной степени воспроизводить основные факторы, определяющие его повреждаемость: диапазоны температур, напряжений, деформаций материала и их изменение во времени, химический состав газового потока.
Требуемый режим нагружения материала на кромке образца реализуется за счет выбора геометрических размеров клиновидного образца с учетом возможностей испытательной установки по интенсивности теплообмена (коэффициентам теплообмена и температуре газового потока).
В зависимости от цели испытаний допускается назначение режима испытаний с выдержкой при максимальной температуре и без нее. Длительность выдержки устанавливают в Зависимости от коррозионного воздействия агрессивного газового потока на сопротивление материала термоусталости. Суммарная длительность выдержки при рабочей температуре должна быть не менее 10% ресурса элемента конструкции. Если проведение испытаний боль-
той длительности технически или экономически нецелесообразно, допускается имитировать агрессивное воздействие газового потока выдержкой образцов при рабочей температуре в изотермических условиях. Режим испытаний должен обеспечивать число циклов до разрушения образцов не менее 10% ресурса элемента конструкции по циклическим нагрузкам. Режимы нагружения
• Клиновидный образец
материала кромки клиновидных образцов схематически представлены на черт. 2.
Геометрические размеры образцов (угол раствора, радиус закругления кромки и длины хорды) выбирают в зависимости от назначенного режима испытаний, плана эксперимента, максимальной интенсивности теплообмена (удельного теплового потока), реализуемой испытательной установкой, на основании результатов определения термонапряженного состояния образцов по п. 2.10.
Требуемый режим теплового нагружения (скорость нагрева и градиент температуры на кромке образца) обеспечивается за счет выбора угла раствора <р и радиуса закругления кромки R образца (увеличение угла раствора приводит к росту градиента температуры и снижению скорости нагрева кромки образца, 2*а увеличение радиуса закругления кромки —к снижению как скорости нагрева, так и градиента температуры на кромке).
Требуемое напряженное состояние кромки достигается за счет выбора длины хорды образца L, увеличение которой приводит к повышению термических напряжений на кромке за счет большего стеснения теплового расширения кромки массивной (менее нагретой при нестационарном нагреве) частью образца.
Режимы нагружения материала кромки образца
д — режим с выдержкой при максимальной 'и минимальной температурах; б — режим
без выдержек
Черт. 2
Изменение термических напряжений в кромке образца осуществляется также выполнением прорези параллельно кромке на расстоянии I от кромки на 95% высоты образца. Ширина прорези с не должна превышать 2 мм. Применение образцов с прорезью целесообразно при одновременном испытании партии образцов при идентичном тепловом режиме испытаний и различных значениях термических напряжений.
Длина хорды L или расстояние от кроімки до прорези I в пределах намеченной серии испытаний должны варьироваться в таких пределах, чтобы тепловое состояние в достаточно большой области вблизи кромки образцов не зависело от длины хорды. Рекомендуется варьировать эти размеры от 20 до 60 мм.Высоту образцов Н выбирают таким образам, чтобы в рабочей части образца а влияние концевых эффектов было минимальным. Реікамендуется принимать высоту образцов не менее чем в 1,5 раза больше максимальной длины хорды образца в пределах намеченной серии испытаний.
Для фиксации образцов в испытательной камере допускается изменение конфигурации его торцов в случае, если эти изменения не влияют на термонапряженное состояние кромки образца в рабочей части.
Для проведения одной серии испытаний образцы должны быть изготовлены из металла одной плавки, термообработаны в соответствии с техническими условиями на материал и с учетом технических условий на конструкционный элемент, применительно к которому проводят испытания. Технологический процесс нанесения покрытий на образцы и режим последующей термообработки должны соответствовать техническим условиям на технологию нанесения покрытий на конструкционный элемент.
Допускается отсутствие покрытия на торцах и тыльной части образца. Технические требования к покрытию должны соблюдаться на рабочей части образца в прикромочной области протяженностью не менее 10 мм от кромки.
Вырезка заготовок, маркировка и изготовление образцов не должны оказывать существенного влияния на свойства исходного материала. Режим и припуски на механическую обработку должны сводить к минимуму наклеп и исключить местный перегрев образцов при шлифовке, если это не определено условиями испытаний.
Параметр шероховатости поверхности рабочей части образцов Ra должен быть не выше 0,2 мкм по ГОСТ 2789, если это не определено техническими требованиями. Рабочая поверхность не должна иметь следов коррозии, цветов побежалости, если это не предусмотрено условиями испытания.
При изготовлении образцов с покрытием чистота поверхности определяется техническими требованиями к покрытию.
Радиус закругления кромки образцов R должен быть выполнен не ниже 10-го квалитета ГОСТ 25347 1.
Для маркировки образцов применяют клеймление.
Каждому образцу присваивают шифр.
Для выбора размеров образцов на конкретной испытательной установке для назначенного режима испытания определяют термонапряженное состояние образцов с различными комбинациями радиусов закругления кромок, углов раствора и длин хорд. Распределение температур, термических напряжений и их изменение в процессе нагрева (охлаждения) рассчитывают на основании экспериментального определения граничных условий теплообмена 1-го рода (результатов термометрирования образцов на выбранном режи|ме теплового нагружения). При необходимости процедуру определения граничных условий теплообмена и расчета термонапряженного состояния образцов выполняют в несколько этапов с уточнением условий теплообмена и размеров образцов на каждом последующем этапе на основании анализа результатов предыдущего этапа.
Для проведения термометрирования из испытуемого материала изготовляют партию клиновидных образцов с различным сочетанием геометрических размеров.
На поверхности образцов в среднем по высоте сечении устанавливают термопары. Количество термопар зависит от размеров образцов и должно быть не менее четырех. Размещение термопар должно выполняться с учетом неоднородностй распределения температуры по боковой грани образца. В области максимальных градиентов температуры (кромки образца) шаг установки термопар должен быть минимальным с учетом возможностей принятой технологии установки термопар. Форма и размеры образца для установки проволочных термопар приведены в приложении 3.
Термопары должны устанавливаться таким образам, чтобы внести наименьшее искажение в распределение температуры в термометрируемом сечении образца.
Термометрирование образцов проводят на стабилизированном режиме теплового нагружения, когда показания каждого из термодатчиков в соответствующие моменты двух последовательных циклов отличаются не более чем на 1%.
В качестве расчетных напряжений (деформаций) принимаются номинальные термические напряжения (деформации), определенные по уравнениям теории термоупругости, исходя из распределения температуры по сечению образца. Рекомендуемый алгоритм, подпрограмма расчета полей температур и номинальных термических напряжений представлены в приложении 4. Пример расчета теплового и термонапряженного состояния клиновидного образца приведен в приложении 5.
Параметры режима нагружения образцов с жаростойкими металлическими покрытиями определяются по п. 2.10 без учета отличий теплофизических характеристик основы и покрытия.
При оценке параметров режима нагружения образцов с теплозащитными покрытиями тепловое и напряженно-деформированное состояния определяются с учетом теплофизических характеристик основы и покрытия и его толщины.Допускается применять другие, более совершенные методы расчета теплового и напряженно-деформированного состояния образцов.
ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТУРА
Испытание клиновидных образцов в газовом потоке проводится на газодинамическом стенде, оборудованном:
генератором высокотемпературного газового потока;
испытательной камерой (черт. 3);
Схема испытательной камеры
/ — образцы; 2 — бобышка для установки термопары газового потока; 3 — упор
Черт. 3
контрольно-измерительной аппаратурой;
системой автоматического управления режимам теплового нагружения.
Испытательное оборудование должно обеспечивать возможность моделирования реальных условий эксплуатации элемента конструкции из испытуемого материала.
Применяемое для нагрева (охлаждения) образцов оборудование должно обеспечивать возможность реализации требуемых режимов теплового нагружения образцов (длительность цикла, скорость нагрева и охлаждения).
Режим теплового нагружения должен поддерживаться автоматически.
Конструкция нагревательного устройства должна обеспечивать равномерное по высоте распределение температуры в рабочей части образца а, (см. черт. 1).
з*
Конструкция испытательной камеры должна обеспечивать установку образцов незащемленными, чтобы предотвратить неконтролируемое стеснение теплового расширения материала.
Для измерения температуры газового потока применяют платино-платинородиевые и вольфрам-вольфрамрениевые термопары типов ТПП и ТВР по ГОСТ 3044.
