Наибольшее распространение получил радиационный (лучевой) метод нагрева образцов, осуществляемый за счет теплового нагревателя.

11.2.2. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СТЕНДЫ

Высокотемпературные установки и специализированные стенды для определения харакгеристик кратковременной прочности тугоплавких материалов и элементов конструкций созданы на базе универсальных испытательных машин НПО Машиностроитель и Измеритель , фирм Jnstron, МТ (США), Шенк (Германия) и др. [3, 28, 63, 64]. В них использованы стандартные унифицированные блоки и системы, которые обеспечивают нагружение и нагрев образцов, вакуумирование, измерение и регистрацию параметров механических испытаний (рис. 11.2.1).

Блоки нагружения осевой силой (0...1 кН) - универсальные испытательные машины с электромеханическим, гидравлическим, элекгромагнитньв! или другим приводом. Высокая точность измерения нагрузки обеспечивается специальными сменными датчиками усилий, которые устанавливаются внутри рабочих камер. Специальные устройства позволяют поддерживать постоянную нагрузку длительное время.

Для проведения циклических испытаний и на кратковременную секундную ползучесть дополнительно предусмотрена блок-приставка

для нагруженная с автоматическим программным регулированием режимов. Электродвигатель постоянного тока, электронный тирис-торный регулятор вместе с задатчиком программы обеспечивают проведение циклических испыганий при пульсирующем растяжении для любой формы цикла нагружения.

Установки для испытания трубчатых конструктивных элементов при сложном напряженном состоянии в условиях кратковременного нагружения осевой растягивающей силой и внутренним давлением оснащены блоком высокого давления рабочей газовой среды, основу которого составляют газовый компрессор, система емкостей, регулирующие и запорные клапаны [63]. Устройство для нагружения образца растягивающими и сжимающими нагрузками установки Микрат-4-6 расположено внутри испытательной камеры, а силовозбудитель - вне камеры [3].

Вакуумная система высокотемпературной установки состоит из рабочих испытательных камер, вакуум-проводов с задвижками, форвакуумных и диффузионных насосов, которые позволяют создавать и поддерживать разрежение в пределах 1 10 Па при нормальной температуре и 1 Ю * Па при температуре 2000 К [63]. Для измерения давления применяют термопарные и ионизационные вакуумметры.

Рабочие вакуумные камеры, как правило, сменные и могут бьггь применены на установках различных типов в зависимости от видов

Рнс. 11.2.1. Типовая схема высокотемпературной установки для кратковременных испытаний:

1 - система создания и измерения вакуума; 2 - блок синхронизации управления нагружением и нагревом; 3 -блок автоматического управления нагружением; 4 - блок систем нагружения постоянной и циклической нагрузкой; 5 - блок измерения и регистрации основных параметров механических испытаний; 6 - устройство согласования сигналов ЭВМ; 7- блок автоматического управления нагревом; 8 - система нагрева

испытания. Для испытаний на растяжение, сжатие, срез и изгиб при высоких температурах в рабочих камерах некоторых установок предусмотрены специальные захватные устройства и приспособления [29, 63]. При испытании на растяжение в сменных захватных устройствах устанавливают плоские, круглые, трубчатые и другие образцы общей длиной 20...200 мм с любым поперечным сечением (включая и микрообразцы на установках типа Микрат-4-6 ). При испытании на изгиб сосредоточенной силой захваты имеют специальные пазы, на которых устанавливаются образцы размерами 25x3x3 мм для металлических материалов (или увеличенные до 100x10x10 мм для композиционных материалов [28, 63, 64]). Датчики для измерения сил и деформаций в зависимости от уровня температуры устанавливают внутри камеры или вне ее (при этом учитываются потери на трение в вакуумных резиновых уплотнениях). Испытания на сжатие и срез при высоких температурах проводят на цилиндрических или призматических образцах (размеры зависят от свойств материалов, уровня температур и др.) на специальных приспособлениях.

Система нагрева включает наиболее часто радиационный (лучевой) источник нагрева образцов [63, 64] в высокотемпературных установках различного назначения с применением малогабаритных электропечей сопротивления.

Пластинчатые нагреватели различной формы и размеров (диаметр печного пространства 10...20 мм, высота 50... 100 мм) обеспечивают устойчивый нагрев до 3300 К при кратковременных испытаниях. Они потребляют небольшую мощность 6,5...8 кВт при 3300 К, в тепловом отношении малоинерционны и пригодны при проведении термоциклических испытаний.

В рабочем пространстве печи обеспечивается достаточно равномерный нагрев: продольный градиент температуры по длине рабочего участка 25... 30 К при температуре 2300...2500 К. Управление режимом нагрева установок по заданным программам (циклам) осуществляет программный электронный регулятор напряжения. В регуляторе применена тиристорная схема, построенная на принципе фазово-импульсного регулирования напряжения, которое при постоянном сопротивлении нагрузки пропорционально разрешающей пропускной мощности. Регулятор вместе с автоматическим задатчиком программ РУ-5-02 при кратковременных испытаниях задают оптимальные режимы нагрева, обеспечивают стабилизацию температуры на образце в пределах ± 1 %. Регулятор имеет автоматическую и ручную регулировку управления нагрева (при использовании термопар ВР-5/20 до 2300 К и оптических пирометров до 3300 К). В

режиме ускоренного нагрева можно получить максимальную скорость нагрева 50...200 К/с.

Методики кратковременных высокотемпературных испытаний [28, 63] рекомендуют различные скорости нагрева образцов и стабилизирующие вьщержки (5...20 мин). Для кратковременных статических высокотемпературных испытаний на растяжение приемлем следующий режим нагрева:

медленное повьппенне температуры до 500...700 К со скоростью 0,3... 1,0 К/с;

ускоренный подъем температуры до заданных рабочих значений со скоростью 5... 100 К/с;

выдержка при температуре испытания в течение 3...5 мин.

Электропечи к термокамерам универсальных и специальных установок большей мощности имеют разнообразные конструкции. Для измерения температуры образцов широко применяют термопары и оптические пирометры [28, 63]. Термопары типа вольфрам-рений в среде инертного газа и в вакууме позволяют измерять температуру до 3000° С, обладают высокой стабильностью и чувствительностью, имеют срок службы, намного превышающий продолжительность кратковременных испытаний. Применение термопар ограничено термостойкостью изоляции. Термапары с изоляцией

из оксида алюминия AI2 О3 можно использовать до температуры 1800° С, с изоляцией из ВеО - до 2500° С. При более высоких температурах применяют пирометры [28].

Блок измерения и регистрации основных параметров (нагрузки, температуры, времени и др.) состоит из автоматических показывающих и записывающих приборов [3, 28]. При высокотемпературных испытаниях, особенно с использованием вакуумных камер, системы измерений более сложные, чем при обычных температурах, причем не всегда удается исключить влияние температуры на сигналы датчиков. В одних случаях предпочтение отдают оптическим системам, а в других - разрабатывают бесконтактные системы измерения линейных величин (см. гл. 11.1). Датчики перемещений (по захватам) при высокотемпературных испытаниях обеспечивают качественную запись процесса пластического деформирования образца, но не дают достаточно корректных значений характеристик упругости.

Полученные экспериментальные кривые деформирования нагрузка - удлинение перестраивают в диаграммы напряжение - деформация . В случае применения специальных автоматизированных систем [27] информация с ЭВМ поступает в виде протоколов испытаний, содержит графический материал в виде диаграмм растяжений, формирует банк данных и др.

ИСПЫТАНИЯ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ И ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Глава 11.3

ИСПЬГГАНИЯ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ И ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Важную роль в открытии ползучести Ко-риолисом и Вика в 1830-1834 гг. сыграла постановка прецизионных экспериментов при разрешающей возможности измерений деформации примерно 10-. Систематические исследования, проведенные к 1910 г., позволили Андраде предложить уравнение ползучести, которое и сейчас относится к числу базовых. В настоящее время примерно 100 фирм в мире вьптускают более 1000 единиц наименований экспериментального оборудования для исследования ползучести [28].

Камеры позволяют проводить исследования в различных средах. В зависимости от температуры испытаний [73] различают термокамеры, криокамеры и термокриокамеры. Термокамеры могут быть низкотемпературные (до 673 К) и высокотемпературные (электропечи). Электропечи обеспечивают нагрев до 1773 (воздушные), 2073 (инертный газ), 3273 К (вакуумные) [28, 63, 64].

В низкотемпературных камерах (и при отрицательных температурах) испьггывают полимеры, пластмассы, резину, цветные и другие металлы. Установки для испытания этих материалов характеризуются универсальностью, многоцелевьп назначением, значительным числом одновременно испытуемых образцов, тщательностью контроля основных характеристик нагружения. Измерения деформации проводятся с помощью индикаторов, оптических методов, индуктивных датчиков, фотоследящих систем.

Тугоплавкие материалы на воздухе в основном испытывают при температуре до 1273 К. Нагрев до 1773 К затруднен в связи с применением для испытаний на воздухе в основном хромоникелевых нагревателей. В высокотемпературных камерах [64] проводят испытания преимущественно в вакууме или среде инертного газа при температуре 1073...3173 К и нагрузке 0,005...30 кН. Например, испытания на установке ПВ-3012Н [28] осуществляют при нагрузке 0,005...0,5 кН и температуре 1473...2473 К, а на установках ПРВ-203 и ПРВ-303 - при нагрузке 0,05...30 кН и температуре 1273...3173 К. Карбиды тугоплавких металлов испытывают при более высокой температуре (3473 К и вьппе).

Установки с камерами, независимо от температуры испытаний, как правило, имеют цокольную конструкцию; замкнутый силовой контур образован станиной, ходовым винтом, установленным на станине корпусом камеры, тягами и рычажным механизмом. Резкое по-

Рис. 11.3.1. Зависимость эффективности теплообмена от расстояния между поверхностями нагревателя и образца

нижение прикладываемых при высокой температуре нагрузок делает необходимым обеспечение как непосредственного нагружения, так и нагружения с помощью рычажной системы.

В различных установках много общего имеют системы нагрева, измерения и контроля температуры, деформации, обеспечения газовой среды и т.п. При этом конструкция печи, размеры камер, элементов различных систем, трудоемкость обслуживания во многом определяется мощностью, затрачиваемой на нагрев испытуемого образца. При этом мощность, затрачиваемая на достижение одной и той же температуры, может различаться на порядок, чго объясняется существенной зависимостью эффективности Т теплообмена между поверхностями образца и нагревателя при малых расстояниях h между ними (рис. 11.3.1). Большинство печей характеризуется большим расстоянием h между нагревателем и образцом (рис. 11.3.2, а) и соответственно большой мощностью, затрачиваемой на нагрев.

Рнс. 11.3.2. Взаимное ржсположенне образца и нагревателя