автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Особенности разрушения альфа-титановых сплавов для роторов криогенных электрических машин

: г 4 о -I

) -*• . д. ЛЕНШТАДаШ ГОСУДАРСТШШЯ ТЕХНИЧЕСКИЙ УШГГСКТЕТ

На правах рукописи УДК 620.178.2:535.483

СЖИМОВ Зязд'.ап'р Гежядьазкя ОСОН£ННОСП1 РАЗРУШШ ¿-ТИТАНСШХ СПЛАВОВ

дг.я роторов кьюгат атаггачасдах машин

05.02.01 - МатериалоЕздснир в машиностроении

Автореферат диссергацин на соискашю ученой степени кандидата технические наук

С-ПЕТЕРБУРГ, 1992 г.

Работа выполнена в научно-исследовательском институте элгктроиапмксстроитеяъного оОъединения "Электросила".

Научный руководитель - профессор, доктор технических наук Солнцев Ю. П.

Официальные оппонента- профессор, доктор технических наук Чижик А. А.,

кандидат технических наук Одинцов ЕЕ.

Ведущее предприятие - научно-производственное объединен» "Криогенмаа'Ч г. Балашиха)

Задата состоится " 21" апреля 1992 г. на заседании С! анализированного Совета КСбЗ. 38.18 Ленинградского государ венного технического университета по адресу: 195251,С-Пет! бург, Политехнически уд. ,29.

С диссертацией ыоню ознакомиться в библиотеке Л1ТУ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах,заверенный и тыо Вакего учреддения, просим направлять по гшеуказанкок адресу на икя ученого секретаря специализированного Совет:

Автореферат разосзгл "20 " к&ате. 1962 г.

Ученый секретарь специализированного Оовета, кандидат технических наук Егоров

¡¡пешя;

'ТЕ!!*

• ОЕШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ,

дол рт»ций

Актуальность проблем:. О^шш из перспективных направлений энергосберегающих технологий является создание криогенных генераторов большой мощности, использувдшс эффект св ерхпров одаш с ти. В течение последних десяти-пятнадцати лет ¿фактически во всех развитых странах осуществлялись программ* по оценке потенциальных технических и экономических возможностей таких машин. В СССР в 1985-1990 гг. з рамках целевой научно-технической прогргг^мы 0.14.12 ЛШТ СССР был создан опытно-промышленный образец кряотурбо-генератора КТГ-300-2У мощностью 300 Шт.

При всех различиях в конструкциях разрабатываемых криогэнера-торов общим является наличие сверхпроводящей обмотки возбувдения, размещенной на роторе и охлавдаемой лсшшм или закритическим гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю (4,2 К). В начала работы,' сразу после пуска, ротор имеет температуру окружающей среды, т.е. примерно 300 К. По мэре выхода на режим происходит захолазиванле обмотки, и температура несущих узлов ротора понижается до 4,2 К. Поэтому металл ротора долгой иметь высокую механическую прочность в интервала температур 293 - 4,2 К и сохранять удовлетворительные пластические свойстэа при охлаздениз В|1лоть до температуры 4,2 К.

Применительно к конструкции ротора криогенератора КТГ-300-2У материал .пмездий плотность порядка 7000-8000 кг/м3, долзен обладать проделом текучести при 293 К не мзнео 750 Ша и ударной вязкостью КСУ при 4 К на уровнэ 30-50 Дж/см2. ■

Кроме того, материал ротора додяен быть немагнитным (степень магнитной проницаемости менее 0,03), иметь хорошую свариваемость, вакуумплотность и проч. Применяемые в криогенной технике аустекит-' ныэ хромоникелевые стали в данном случае не могли обеспечить необходимую прочность цри 293 К. Зысоконикелевые сплавы типа "Инконель" отвечают все;.? цродъяв.таегдгм требованием, но на момент проектирования и создания криогенератора КГГт-300-2У металлургические предприятия в Советском Союзе не располагали технологией изготовления крупных поковок (массой но менее 215-30 т) из подобных сплавов. Кроме того, требовалось решить проблемы, связанные со сваркой таких сплавов.

В объединении "Электросила", где конетруировался и изготавливается кряотурбогенератор КТГ-300-2У, выбор был остановлен на : оС - сплавах титана. . I

При использовании Л- сплавов тагана требования к проделу текучести при 293 К - с учетом почта двукратного уменьшения плотности таких сплавов - снижаются до 500-550 Ша, а существовавшая технология позволяла получить крупногабаритные цилиндрические поковки, удовлетворявшие эти требованиям.

Но сплавы титана, хотя и сохраняют вязкий характер разрушения вплоть до температуры 4,2 К, имеют значительно более низкие показатели пластичности и ударной вязкости, чем аустенитше коррозио'шостойкие стали или высоконикелевые сплавы.

Следовательно, возрастает влияние охрутппзаотих факторов, тыс х -сак треянноподобные дефекты (например, непровары в сзарных швах) или'различные надрезы, забоины п прочие концентраторы технологического характера.

Кг-.:: правило, при наличии опыта эксплуатации изделий из того или иного материала в конкретных условиях достаточный запас плас-т.:ч;:озм: контролируется данными, полученными ка лабораторных образах -при ударных пелитагшях. В случае с ротором "ЛТ, когда отсутствует опыт работы с </.- сплавами титана в таких условиях, уровень ударной вязкости не позволяет однозначно оценить надежность ротора.

Более точкоо знание зозмоаностой материала дает дополнение традиционнее данных по прочности и ударноЯ вязкости сведениями о вязкости разрупелач, определяемо:' уэгоаии разрушения.

Анализ характеристик вязкост:: р'.зруиошп, ирозодт.ь'й с привлечением новых методик (например, косродотвэы алогической омиссии), позволяет едэ более углубить наше предо таз дош: о о материале и ех'о воз.'логсюсткх.

При проведении г.мханичеоких испытания в условиях криогешшх температур необходимо учитывать возмоаность существенного разогрева образца, таг. гак теплоеисость и теплопроводность большинства конструкционных материалов при поышэниа температуры снииавтся.Лашггае такого разогрооа ьшот позлить на результаты испытаний, особонно в условиях криогенных тешератур, когда усиливается тешоратурнля зависимость механических свойств штериалов. "з-за сло;кноста гкепергзлупталыгого измерзши разогреаов при криогенных температурах слсашеся сведения малочисленны и недостаточны для прогнозирования влияния конкретных условий испытания на разогрез образцов.

Цель» работа является: 'к'

1. Разработка методика.определения вяаясств разрушения А - ти-нопнх сшивов в криогенных условиях.

2. Исследование влияния условий испытания, в том числе теша-туры окружающей среды и скорости до$ор1яцяи, на разогрев образа и, тем самый, на результаты механических испытала:?.

3. Исследование влияния криогенных тешэрагур па вязкость зруаеник основного металла а ыаташа сварных швоз титановых лэвов.

4. Исследование влияния на ударную вязкость п еЗ составляйте -5ату зарождения и работу развитая трещинп - криогенных температур х: трота концентратора применительно к Ы.- сплавам титана и их э.ршм соединениям.

5. Подтверждение на основе еошлзксноЗ оценка механических зйств основ^лю металла и сварных соединений возможности обесле-Е£я надежности ротора криотурбогепэратора ЮТ-'ЗОО-гУ при изготовил его из ос- титановых сплавоз. ' • .

Научная новизна работа". .

1. Показана возмозность использования акустической эмиссии

с анализа разрушения при криогенных температурах и предложен но-1 метод определения вязкости разрупения при помощи акустической гссия в интервала температуры. 4,2 - 293 К.

2. Исследовано влияние разогрева образцов из и- тятааэдых азов в процессе механических испытаний три ташература 4,2 -:93 К на результаты в зависимости от условий испытания.

3. Исследовано влияние криогенных температур на вязкость раз^ ;ешш <£- титановых сплавов и их сварных соединений.

. 4. Показано влияние криогенных температур на ударную вязкость а составляющие дан поковок из «¿.- сшивов титана ДТ-ЗМ, ПТ-ЗВ, . и их сварных соединений, а такие влвпшэ радиуса надреза на . * ■ тношение составяшдзх ударной вязкости. . . ■

Практическая ценность работа заключается в том, что ирсве-ноэ исследование показало возжжность широкого использования рных соединений в конструкции ротора криогонэратора КТГ-300-2У тешературах 4,2 - 293 К* Установлены ограниченна на взаиио-- ' эняемость поковок из епдавоа ПТ-ЗЛ и 19 при 4,2 К. •

В НИН ЛПЭО "Эхрк^юс.вдг" яподрека в проэтгку 1:сш;та?и2 прг ;<рлсге;п1к температурах: иетодш'л определош:.-!. вязкости разруганы с цспэльзсЕаньен акустической оькссиз л последуадуй ко^дъ&тсрнсй " обработкой результатов, .

Атггюбгд;;гг podoru. Осксбнно полсконля работ дояяадазщшсъ и обсуэдаяись иа:

1. Совещании рабочей группы при ¡ручном Созото ГЛГГ СССР 'конструкционна« прочноезь и разрузгах:«", Ленинград, алрояь ISS5.

2. П Зсесолзьой кон^врончип "Прочность штеряаяоБ и коыатрук цей upa нкзшк температурах", 2итс;^гр, сентябрь IV85.

3. Совестят секций1 Научного совета ГКЛТ СССР "Прочность конструкций и гатерсалов, рабстаздпс в условиях иззких и криогзпь тегаератур". Денщград, iap-г 1985, апрзгь JSCC.

4. ¡.'аядународной н2учко-^о;пическо£ д:ои$оренщы "Лрахтпка и nop'jíiii'TüBU использования нэтизрулах^его контрол;-:", йоспза, aspo;^ 1269.

í. I? Всесоюзном с-с.дозиу::о ''Охал;! и сшкха крлога;-щой мяп

&/ryr;i, »юябрь 1990.

Сснооноо сояергсиае работа опублякозаыо б ce;,и статьях.

• Стате-гута п сбье?' работа. Д^соертшгаг состоят сз введено*, nasa глав-2 зншодов, е козорзх продстазлени осно.эшз рэгульгаят" работы. Работа гашл>иа на 154 стрсдщах.; есдоретг '12 шкаярацЕ 2 еайл^ф! и свцоох нсаоя&гозш:но.'; лчяср.И'урн'зг 163 натаачсвсшй.

' . СОДЗЕ2ЖЕ ГАШ.Ы,

В пгегеоь ту.тае npoaaa.'Eis-ipos^K особопносм шпояьзовйНЕа разлЕщш: критериев сденкл механических свойств конструкциокшх ""шхергалэв хф'лвнгголыю i: роторам криогенных эдемзотоеша; Указано на загнссть ксизлзасной оценка иозанет&охшх сгореть и не. ходиы>сть использования, наряду с традиционные крзтеряяш грота тя и гдастичкостг, критериев кагаяшд. разрушекса. Проведоа краю ческяй ¿наша суадотвушиг тходоз опродедзшк статической шзко • разругаениа яраогенках f¿aTepzazoa. Доказана лерепекиганосгз» полол вонашзя акустической ошсова дуй оурадалэшш вязкости разрушения а криогенных, условиях. Бшск с тем, озмвчеиа недостаточная эксп римонзальная и цгтодичосудя проработка экого вопроса. Тагах рас 1 смотрены шгшдаеся допело о разсгрсяэ металлов при ve дб$орхсров ч •• ■ -

п л разрушили в хркогенккх условна. Показала особая актуаяь- ■ зсть этого вопроса для когштадпЯ вблизи тсшературм гцдсого гэ— и 4,2 X. Отмочено значительное вляянде скорости до1орг.{лросап;'л i велгчлтгу разогрева. Лскиззно, что спстзиатлззрозонши исслсдо-■ися пс этому вопросу отсутствует, а кмзягдпзя даишо мслсто-эзга1 л разрозношы. Прлзсдезш дщишо гго влиянии тсмператури в :;тервалэ 4,2 - 2"3 К на вязкость разрушения титановых сплавов, зглзаио члкянле прл отсм разлнчннх леглрупдпх элементов л ¡гпсро-грухтури. Отмечзна недостаточность л п ряде случаев протгаоречп-петь име^Екся данных относительно еязу.осты разруаетя тлтансвых ü.TiEOs п ю: сзарннх соодлненнЯ зря криогенных температурах. Pao-иотрени особенности использования значений ударней вязкости как рзтерня механических свойств материала. Проанализирована вогмом-ость певзееннг: ж!±ср:,:атнзнзотн этого кригооня за счет разло-ени-т дарной злзкостл на оостазляацпе. Отмечена противоречивость амод-нхея дчгашге по влиячиэ острота надреза a температур'-' испытания а ударную вязкость и ее сооказлязцго для тлганэзше сшивов.

Црнях.'ля во внимание внявленшю особенности использования азлнч:т: критериев механических сво2сгв .'.атерна.тсЕ применительно роторал крисгокоратороя, а такмэ учитывая недостаточности эксно-нмзнтадымх дапзл:х по вязкости разрушения, ударной вязкости и лклиз на них разогрева материала при испытаниях, били определен следуотпз задачи исследования:

1. Разработать методику определения вязкости разрушения з рноганкых условиях применительно к оi - тнтановнм сплавам, из- ' :ользовакчж в конструкции ротора криогенорагора Х1Т-300-2У.

2. Исследовать влияние условий испытания, в том число темле-атури 01фу~л:асей среди л скорости деформации, па разогрев образ-;ов из титановых сплавов. Определить степень влияния разох-рэва на юзулътаты механических испытаний.

3. Последовать влияние крлогеняих температур lía вязкость шруаенля основного металла л металла сварных швов d- титанозых :плаво». ■ . .

■1. ^сследсвать влияние на ударную вязкость л ее составляющие • работу згрс.тденкя и работу распространения трегдины - криогенннх температур л остроты концентратора применительно :•; oí - сплавай : л тана, использованным в. конструкция ро-гора крлогенератора СТГ-300-2.7.

Во втотюй главе обосновывается выбор штериалов дин исглед ваши и штодЕха их исследования. Ротор криогенератора представл от собой с лозную дшсидрическую конструкцию, внутрь которой пода ется йидкий гелий, схлавдавщнй обмотку возбуждения (Рнс.1).

. Рис./. Схема ротора криоту);богсн5ратора КТГ-ЭОО-РУ: ,1-вал-надставка, 2-ч&г-/хгля обгчайка ротора, Э-олсктро-. тернический экран,'|-гелиеБня полость, 5-обмотка возбуждения, бгхаркас обмотки возбуждения, 7-устройство подачи жидкого гелич и отвода его паров,8-иголяциопние вставки.

В качестве заготовок использовали поковки единичной массой до 8 пэ Л- титановых сплавов ПТ-ЗМ, 1ГГ-ЗВ п. 19. В конструкция рото . язрохо применяли листовой прокат из сплава ПТ-2В. Соединение ра лзчншс элементов в основном обеспечивалось сваркой. Сплав 19 использовался только при температуре 293 К.

В настоящей работе исследовали металл крупных поковок из сплавов ПТ-ЗМ и 19, листовой прокат из сплава ПТ-ЗВ и их сварны

далекая. ХсягеескяЗ состаз cikobcb цраоэдзи ¿ xofencfclS. Bucfop ерзалов д.?1 асслодоватсх, охвагмзл- весь спсг.тр уолозсЯ рпаль-конструклпг::, позвслче? получить удовлетворительное продетая-гто о натурном изделии. •

Иротаостчно свойства np:i статпчеексм рас глдэнил опрздо-а па паяпкдкяоскше образцах ¡> 5 км, ксздтнвазхзхся ira упнвер-ыгой глгпэт-з 1231-УЮ, огп&тсаиэЗ гелло.ч::м крисзтатсч колструк-I'TjSIT'AH УССР. Вязкость раз1/упс!г?я определили на этой .-но гае :п г.О!.яактпих образцах толстой 13 яа. Момент старта трс-I фиксировала при ана.ткса?ора акустаческсЗ cócora АФ-15

шрактерпо!^ каглбу да зависимости суи.ы нмдулгссв акустической :сж! (Рис.2). Установлено, что вязг.ость раэрулеглл, соотзетст-

PJ0H.

г

ез :-_-

гз U

L

J,/

п

?рлз

1

V,,.

1.0 1.5

а)

JÍ33 Ц г

г

;взз L

It

О

о

í i / 1

'1

i

1

АЭ.

Р.ЮН

j

4SS ПИ б)

1Z88

1KJ

Зависимость нагрузки Р от смещения берегов надреза V(a) и соотЕетз?вупг;и? рост сумл: импульсов АЭ Н (б) при испытаниях компактного образца: Рй-критическая нагрузка е соответствии о ПХЛ'25.506-85; Р^-критическая нагрузка,со-ответотвуяцая изгибу акустозииссионноя кривой.

я этс:,7 изгибу (здесь п далее - ХАЭ), всзгда шсг.о значений зтл разрушения К & „ определенных в соответствии с. • •1 25,506-85. Показано, что вязкость разрулонпя Кд^ соответст-озстреок2вгкпл>, ггоонсходтягиу вблггг взргппш тоетзны при

■ 7 .

г.а

г. 5

з.е

рссто нагрузки. При этом образовавшиеся аикротренины практически нэ влияет на подаиивость образца, так как образуются не в плоскости исходной макрочрояакн. Поэтому ксмэат обраьозашп зтзх трг-сгп1,;ХС.тя и означает до сути качало физического разрузекзи образца, не фиксируется стандартной штодхкой, изложенной а ГОСТ 25.50S-85, ес уолепщо заявляется upr помощи акустической

ЭМИССИИ.

Для сбаспэчениг работы датчика акустической эмиссии при крл-огеккых такпературах использовался ззуковод, пряклежваемаа к сб-разпу специальны.! эпоксидным кэйшауядш*

Ударные дсштакгя проводили на вертикальном пневматическом ко про конструкции ФТШТ АЛ УССБ, позволта-цзи проводить испитая* при криогояшлс температурах.

лзгарэнле и обработка экспериментальных данных вызодзялкоь яри покоив яоипкотэрной измерительной сяотемы.

Мэталлогрйфпческиа" исследования проводнлиаь с использование,' мгкроскогл "йеэфсз-й0, фракгогра$отесклв - на ргстрозсм' злихтра пом шкрусхопс УРЗМ 100.

В трртьзй глазе рассматривается влйяке* разогрева образцов в процессе испытаний на механические свойства. Зто особенно актуально для -испытаний при криогенных тогпэратурах, когда дазе сравгамельно небольшое -повада'шс гемцература квиадш способно су шзствекпо изменить его исзхаългскчз сьопожх. 'Изменение тэпдошпз. ческях. свойств при донакгшы • шгагани» способствует

появланя» такого pasarpesa. las» яра енггеияп температуры от комнатной (293 К) до температуры гсуаого гелая (4,2 К) теплоцроз кость ci- спл?чоа титана снижается более, чем в 30, а гепдовагсос болей, чем 1100 раз.

Особый интерес 'цредотавляйт испытания Еблизз 4,2 К, когда, деформация имеет скачкообразный и локализованный характер.

Исследования проводили на образцах из сплава.19, Образцы да испытаний - цияа^щрнчоо'кие и иоггаккшо - показали иа Рис.3. Ра; грев измерялся специальной.терзлопарой ф 0,2 мл, созданной для , криогенных условий, Разогрев даяиздрачесюзс образцов на одиосык рас,тяг6нп0 (Рис.3, а-б) намерялся црз двух скоростях, дофоргшров; гая: I'IO-3 (Г1, что соответствует требованиям ГОСТ 22705-77, и позышешгй скороотЕ деформароваша 20'Ю-3 с~Ч Эксперимент npoi дои на трех температурных уровнях: 293 К (на воздухе), 77 К (:

глдком азоте) а 4,2 К (в пздкоа гелии). Одни спай тзрколаш пахо & ■

Т1=а

TI

.г)

Frs^.Образца мя определения разогрева пря одноосной статической растяхенак о варуянми (а) * г.еыбинярованн№С (б) .^сподожеаий •герцо1ар:1-образвц,^-ххопко>ая пнть,3-иех-вея шае?анка,4-териопара; ко«гак*як2 образец (а) и . ксыпаинн! oöpaseq со s ву kobo дом (г) :1-образец,2-тер-

мопары.З-ззуковох; TT ,T2.T3-aowep4 термопар. ,.

ся в ■ скру.т-акяой среде, другой припаноался i: ).:эдноЗ слютлнко толц::-ис>íí 0,1 ым. Модная пластинка плотно срктилазь к рабочей часта • образца хлопковой кптья. Учитывая впсокуэ теплопроводность ¡;сдн7 дополнительно ьозрасеакчую при крпогсшах тзглературах, такая о;со:.г. тэплоизлюршгля позволила 'контролировать йблъмую часть образца и ориентировочно fикссрсзать распределение те.таьратур- г.о его дкзно. Белпчлна разогрева ¿Л' определялась как разность те^ызратур образца п окрудаадеп средн.

'Лсштанпя лр'.! 293 Е, .ка воздухе, показали, чю разогрев образца при узолзчеиЕЯ скороотк дсфорг^цролаквл с I'IO"^ до йО'Ю^с"1 практически но измэнялск и ооталоя в пределах 12-14 градусов. Это обгясняотсл тем, что пластическая внзцваю^зя разогроз,

с увеличение:.* скорости пракгичеак но так, относитель-

ное :\л,лг:!оки осталось таксл до, в пределах 5-7При siom рост образца начинается строго одновременно з огяяск&япсы от .rKCÍ'njsoTC дзлордэдпопной кривой, т.о. в момэнт начала алчет::--пес::-"". ;;сфор:.йдж.

" Разогрев образца по длине происходит неравномерно, ere величина на разгж: термопарах колеблется от 6 до 14 К, что объясняете я различно;; .p.c.íopMirpyei.xíc-TbK крушах sepoií титанового ensata.

• Jípii ьедатанзях с «такой азоте разогрев на превшая С,5 К но-гависгл.'о от-скорости испытания. Тачал шлая величина разох"реяа объясняет ся аффектсвинм отбодо:.; тепла от образца s? ещьай азот, Тек, ког.'йЬициент .теплоотдачи в cicoc yaравен 10000 Вт/^-К при .1-2 Вг/iT'X в случае тда-.-агг:ни г-ойлзтсз.

При имотангяое в аздком г злил gj c¡;;.'pcai:.:o дсформлровазаз 1*10~®о~л диаз^хла. виеэт характерами -ед, обусловленный локализаци деформации (Рис.4,а). Каадоку ■ скачку нагрузки соответствует мачок те;.!пературы, фиксирозавкийся хотя ún едкой термопарой. Зоны до-, калькой декоршцип распределяется по длине образца хаотически, ' Полагая наддай акт локального дейоргдярованпя происходящим адпабагоо а такде учитывая изменение теаяофизпческЕх свойств титанового сплаза с изменением температуры, при помощи НБ.\! цроазведена оцешеа величины разогрева, которая составила S0 К. Ото хорошо согласуется' с БЕсторшлентальысяг дагаоаи.

Для выяснения соотношений температуры разогрева, измеренной на поверхности образца, с температурой внутри его, был проведен эксперимент с образцом,, показанным каТис.3,6. Термопара ТЗ встав-.

■ лялась в отверстие р 1,5 км до упора, посла чего отверстие залзва-

{0. - .

Р,ЮН

р | т-Г7-|-г—г-р

2СС1

' 4 " ? Г

" " Г '

гггэ ¡--/

гсьз _I

.^/П^/УЧ''

сек.

I : ! I ^

43 лл « 52 59

Г^-Г-1 I ! : I I 1 ТЧ I I | I Г "Г-Т"1

го Е.дта,к , (\ J

а 4

<\ -ч / I ' \

л^иа-ииЛЛ.

Г.

г * • Н

С 0~\

и! I-.'- .¡_

3-3 ¿Л

а)

Р.ЮН

-та Р ' р*

гг. £.д?з,к к-

' 1 1 1 ! ;

У -1

1 . , се:: и'-^х-Ь.

; > 32 34

Г гг~

1 4

; \ 1 \ ' V

л о I АТ2,К 4

< ' 1 ■ ' \ ! \ "3

1лА]\А] У и

лТ'Г 'Г

I.), I .и

24 ге -а за

• • ^ Л !

-Л^ иУ 'О и .Л Цо

б)

р!!С.4.Харгктср изменения нагрузки Р и ргзогрзгад!Г пр« пссэтажгях з -идксм гвлик цилиндрических образцов с иеруапга (а) я з.чутрыткн (б) расположении термопары ТЗ.

-.ось энохспдноЗ смолой, сиссаиноЯ с шдаой пудрой. На наругшоЗ ао-яерхясстп образца иацротпв спая термопары ТЗ наносился надрез, что гиЕзало рагрузениэ образца сапно- 'в отсм иесто. Результата зспитания приведены на Ряс. 4,6. Из солоетавловтя: псзагапиЗ термопар 15 я ТЗ видно, что гонг. лекальной деформация охватывает зее поперечное сечеаге: кявдАму скачку температур».на поверхноста обрасца соотаэт-стауст синхронный стало;; тошературы внутри'образца, прз отсм ачп-лт^тч отнх скачков бетзгл ео зпачешэ ¡.;злду собой,

.' Н

к. л V

При увелетзнЕа скорости дафарг-врозания до сказов ■

дефорьпцп! но на&гздалссь, -токааратурные 1ф£гоно имели монотонный ' характер к различались вследствие различной деформируемости зерен титана, что соответствует данный для 8той же скорости деформирования при £93 К. Максимальный разогрев составил 46 К. Определено, что дефорггфование с такой скоростью (презшпавдай рекомендации ХОСТ 22705-77) может снжать временное оопротивлениз яз-и сучест-веинса величин разогрева образца. Предел текучести при а тон практически но тодвбряан'вдияяш> разогрева, "так как определяется • на даизнг начала пластической дефоршцпн, когда разогрев фактически еще отсутствует. '

Разогрев вблизи вершины трещины в компактной образце измерялся, как показано на рио.З.в. Нагрухэние проводилось также с двумя

■ окороояяш: нормальной, соответствущей ГОСТ 25.506-85 (0,5 кЯ/с), ' и с повшошой (7,5 кН/с). фи испытанна в жидком азоге разогрев

не превысил 1К. Результаты •аксиерылента в сроде жнДког? гелия (4,2 К) приведены на Рас.5. При скорости нагруаения 0,5 кН/с на - • блдвдласт. характерная прерывистая деформация (Рис.5,а). Скачки нагрузки сопровождаются оинхроннкми скачкагли температуры, фиксируемой :обедщ термопарами. Уаксгоадышй разогрев достигает 16 К. , ' Цри повышенной окороота нагружешн 7,5 кБ/с скачки дефорка-циа'отсутствует (Рис.5,б), но и в этом случае можно выделить та ^ яе закономерности^ что и в предыдущем эксперименте:

- температура в начальный ыошнт времени выше на термопаре; "П.располсаеняой ближе квероине трещины;

• — максишльннй разогрев со мере развития тредины пвретт-агся на вторую териотру Т2;

- максимальней разогрев выше "на второй термопаре 12 по срав-

■ нэеев с первой Т1 (в носледнеы случае - соответственно 48 и 40 К).

* Для определения. влияния разогрева на вязкость разрушения бшг праведен эксперимент с использованием метода акустической вшсстш. Образец-показан на Рис.З.г. Установлено, что повышение .' , температура начинается после появления характерного изгиба на. •. акустоэмиосионной гфивой, но до отклонекия от-линейности прило-. ванной нагрузки. Хмоментуначала отклннения нагругкк от линей-аости разогрев не цревнсия 1-2 К.

«

II.

•Г

1 1 ■ 1 ' I п.

г ц

\ '

г ч

V , , Т—^

3 1 ■ ' ' : I ' ■ ' ' 1 1 1 > 1 1 '

15 гз гя м_35_.

' | I I ; , ' I I [ | I 1 I ] I ' : р-гтт

-Г.

(8иАТ1Д

ь Ч Флшп

! г л. ■ '•' ■' V:. Д-^-РА-

15 гз гъ за а)

зз ¡1

. , , , , | I , I'!

1«гэ

/\

Ч

4

4

1, 1 1 • I ' 1 1 1 т"

| ДТ,К

С 5 13

I :■ 1111 •'••» •

аз и

/

12

/ . пт

гэ

I Л .

' I 1 I I

у;

Х\

\ \\

б)

Рис.5.Характер изменения нагрузки Р и разогрезадТ при испчтьчяях з ж!дкси гелии компактного образца со скоростьп 0.5 кН'о(а) и 7.5 кН/с(б).

>ч

Такта образов, шло предлолотть, что при испытаниях компактного оо'разца з среде кндксг-о г злил рост нагрузка пнзшпот вначале икрорастргсяизанне -з неблагоприятно ориентированных блоках структуры зблазя вершин доходной трепаны, нз црязодя прч ото;,? к ее росту с, тем са'.ыгл, яэ меняя аодатлгвость образца (см.цредияучуз) глазу). Такое рзсзрескавалпв соярозоздаатся акустической эг.псспей и незначительным ростом темйсратурц. Пра дальнейшем пагругсеши происходит еджпке мзкретревщ н'рост ¡¿акро-трещшга. Рг-.стущая трещина йизквазт знзчптолбенЗ -разогрев дефориз-руе«:о2 обглстн, гавнеягмй от: скорости нагруаегшя.

Ka основа яолучеших розультасэз когно заклэтпть, что вяз- кость p;iзруыекул фактически не зависит от разогрева облает;; народ ворЕпиой тресни в исследованном диапазоне скоростей дойор-мировавгл, так кок разогрев становится существенным по мзро роста исходно;! клкротряации, а .вязкость разрушения определяется в мо-люнт старта гроизчы, когда разогрев <;актичсскн отсутствует.

Оценка разорена при ударных испытаниях в интервала температур 293-77 К показала, что разогрев образца с надрезом 0,35 r-.¡ не превышает 5 К'и несколько визе в среде кидкого азота (77 К).

B-iíSSZ'ÍQiilíiJIiiiS. исследуется влияние сварки в интервале температур 4,2 - 203 К на вязкость разрушения поковок из сплхвсв -ПТ-3*Л ,19 и листового проката 1ЕГ-ЗВ. Но суцестЕуозеи техдологии, при изготовлении сварных соединений для всех JL- сплавов использовался одинаковый прасадочтшЯ материал из сплава ПТ-23 (Ti 2;1 fi¿ - I ,5j V ), что обеспечило близкий хпм:!Ч2ск;:::: состав всех СЕарных еоадтшепи.': (ом. табл.). ■

Химичсскип состап мсслелоипшод ппт \оьчч-ск.чяиоп и их cnapnnx еоедшюнмп.

Салзи ЛеГТфУКМНО ^Л^че! гги . % < маг . )

Ti ,\1 V /.г Nb

ПТ-ЗР;,ПОКОЕКЛ осн. 4.14 __

ПГ-ЗР1, са. со._'Д . осн. 2.7 6 1 .5U —

КТ-ЗВ, лист осн. 4 .60 i .89 __

ПГ-ЗЗ.св.сосд. осн. 2.62 1 . 32 — —

Сплап Iэ,покоска осн. 4.76 __ 1 .69 3.27

CnjIíiU 19 , СП . соед. осн. 2.7С 1 .г>7 —

В процессе оксперпкеятсв определялась вязкость разрушения К а , соотвотетвувдач ГОСТ 25.506-35, я вязкость разрушения Кд-, определенная при помощи акустической экасек: по методике, рассмотренной выаз.-

Результата испытания для покоем "з с плаза 1ГГ-3'£ " проката ПТ-ЗВ представлена га Рнс.б.

Температура ,1с1

гее?

а)

РМс.б.Зависимость вязкости разрушения основного металла и сзартх швов от температуры испытания: а)-поховка,ПТ-ЗЯ; 6)-прокат (лист 20 юОрПГ-ЗВ.

I РЭ

Обоб'лая получение результата, ьюяно сделать следуотие выводи. • •

Вязкость разрушения сварных соединения поковок определяется з основном свойствами присадочного материала. Яспользованпа з качестве присадочного материала сплава ПТ-23 обеспечило вязкость разрушения К& я К^ сваряьсс соединений покозох на уроз-;е основного металла. _Е:стовоЗ прокат из сплава Л'Г-33 во всем интервала температур 4.2 - 293 К такзе н:.:еет аязкоать разрушогся Ко, (полученную на основе ГОСТ 25.505-85), близкую к аналогичным значениям ¡,:згалла сварного ста. Вязкость разругенля Хдз,. харахтеразу5иг»я-. дакрорастрескзэгкзе вблизи вераааг трепли, в аиторзале тзгагератур 293-77 К знзе у основного металла, и фактически совпадает с такс-:.г.т зо эяаяенэшз цт сэарних соединений при 4,2 К. •. ■■($

Яря дошкени: температуры от 293 К до 4,2 К вязкость разрушения К а во всех случаях возрастает; величина вязкости разрушения К,ч в мяторгалэ 293-77 К меняется кезначительно и резко увеличивается при 4.2 К, прнблпгоясь к значениям Хй цри этоЗ температура. Показ.ано, что такое сближение значений К а и Кдд при 4.2 К характеризует не степень стесненности пластической деформации, а соотоотстзует вуь'зпешез характера разрушения. "Это? т-вед иодтвертдазтся данными фрактогхсФиг.

С точки зрения вязкости разрушения поковки из сплава 19 и их старше сосдггнэгп:а (с присадкой ПТ-23) взапмозаменяег.м при 1фиогенннх температурах вплоть до 4,2 К со сплавом ПТ-ЗМ и его сваршми соединениями.

В пятой глазе. рассмотрев ссооонности разрушения титачсзнх сплавов при ударных испытаниях в криогенных условиях. Ударная вязкость опредг яялась на образцах с надрезом радиусом 0,25 мм СКСУ ) и радиусом 1,0 мм (КСУ ). В процессе разрушения ко-л;ью?гр-ной измерительной снстемон фиксировались перемещение молоте и .нагрузка на образец, что позволило разло;:>:ить ударную вязкость на составляющие - работу развита и работу распространена: трещины. Установлено," что уменьшение радчуса надреза с I до 0,25 ш на образцах из 'юковок сплавов 19 и ПТ-33 не оказывает влияния на ударяю' вязкость при 293 К и снижает сё величину на 40-352 при 77 К. Снижение ударной вязкости обусловлено не только уменьшение;.: работы -зарождения трецянн, ко, и уменьшением работн её развития.

Установлено, что упрощешшй метод определенна составляющих ударной вязкости путем экстраполяции её значен^ ка нулозой радаре надреза не применим для рассмотрела «¿- сплавов титача в -Ентврвалс температур 293-77 К.' Так^ЕЭ проверено влияние скорости молоха на получаемые результаты.' Изменение скорости движения молота в момеа? удара в проделах 4-8' м/с незначительно сказывается ка результатах, ко влияет на характер диаграмм разрушения вследствие воздеЕствгя наложенных упругих колебаний опорной системы копра.

Ударная вязкость сварных соединений значительно выше ударной вязкости металла поковок из сплавов ПТ-ЗМ, ПТ-33 и 19 в интервале 293-77 К,; что обусловлено цоникенным содержанием леги-. рутоих элементов, 'а первую очередь.-А £ , в. сварном ево. Снижение ударно" вязкости с пояаъокиэм-температуры от 293 до 77 К

обусловлено уменъзгнзем работа развития трещины. Ударнач вязкость металла в сварном ооединенни снижается на 30£, з наименее легированном сплазе ПГ-ЗЫ - в два раза, в сплавах 11Г-ЗВ н 19 - примерно в 3 ¡аза (см.Рис.?). Работа зарождения трелили сварного

КО

80 60 ■'.О

£0

Условные обозначения:

гзах

{

-Н №

КС

I

Г

I

и ш

и

ркоз! СЛЛЗВ

19

ПТ-33 ПТ-ЗМ

Рис.7.Влияние температуры испытания на ударнуя вязхость КСУ к ее состапляк^ие-работу заретдекия тргкцины КС\/з и работу развития трецикы КСУ£-для поковок из тктаногге сплазоз и спарного создикекия.

и

сплзз

■т

соединения л сплава ПГ-ЗМ практически на изизнявгея в интервале температур 203-7? X. Сплавы ПТ-ЗБ з I? таг-с.е аая блекло х ни:.« скачеюи работа зароадекет прз 77 1С а <5олоо'висскзо при 293 К (на 15%). . ■ ... п

Стиочлется, что здарная вязкость при 293 К складывается в основном из работа ратаитзя треадан - ь .большей Степана для сварного соединен-/..! к сплава ПТ-ЗМ, в ыояьгаей для сплазов ПГ-ЗВ г 19, С пошшнгаец температуры до 77 К деля работы развития трэ-

остается преобладавшей у сварного соединения, у сплава ПТ-3;1 работа разлития становится разной работе зароэденпя трещины,

• у сплавов ПТ-33 и 7.9 работа развитая в 2-2,5 раза нияа работы зароздондя треесшн. '

.ВЫВОДЫ.-

1. Показана возможность использования акустической эиессзпг - дел анализа разрушения <£- титановых сплавов в криогенных условиях. 1Гредяежен метод определения вязкости разрушения КАЭ в кц-тервале температур 4,2-293 К с .использованием акустической бмзссип. Установлено, что вязкость разрушения Кдд характеризует • растрескивание вблизи вершины исходной трещинн.

2. Исследован разогрев образцов из ы,- титаневкх едлавоз г, процесса механических испытаний и оценено влияние этого разогрева на результаты испытаний.

Определено, что растяжение цилиндрических образцов со скоростью вше регламентированной ГОСТ 22706-77 юяет снижать временное сопротивление при испытаниях в среде, кндкого гелия Еслед-ствно разогрева образца до 50 К. В процессе дэ}ормировяйия компактного образца в среде жидкого гелия при испытаниях ка вязкость разрушения в рассмотренном диапазоне скоростей разогрев области вблизи верашян трещины монет достигать 46 К. Однако это не влияет ка значение вязкости разрушения, так как в момент старта исходной тропины, когда определяется вязкость разрушения, Еэжчина разогрева незначительна. Разогрев стандартного образца . Шарли при ударных испытаниях в интервале температур 77-293 К, пзнэрешьй вблизи надреза в по ходу движения трещины, но превысил, пяти градусов, что несущественно.для результатов испытаний. . .

3. Установлено, что вязкость разрушения, сварных соединений

■ -позезок определится в основном авойстваш присадочного материала.

• Использование в -качество ярксадочного материала ощава ПХ-2В

: (Т1 - 2£ А£ - )обеспечило вязкость разрушения сварных

соединений поковок из оплава 1ГГ-ЗЫ и 19 на уровне основного ые.-.' таяла во всем диапазоне температур. 4,2-293 К. Вязкость разрушения '

g, характеризующая появление микротрещин, в интервале темпера-р 293-77 К меняется незначительно, и резко увеличивается при 2 К, приближаясь к значениям К а при этой температуре. Предпо-газтся, что такое сближение указанных параметров характеризует степень приближения к условиям плоской деформации, а соответ-вует изменении характера разрушения.

4. Исследование влияния радиуса надреза на результаты удар-:с испытаний показало, что уменьшение радиуса с I ил до 0,25 км

образцах яз поковок ПТ-ЗВ и 19 не оказывает влияния при 293 К зкггает величину ударной еязкости при 77 К на 30-35^. Снижение арной вязкости при 77 К обусловлено не только уменьшением рабо-заро.чдения третий, но и снижением работы её развития.

Установлено, что упрощенный метод определения составляющих арной вязкости путем экстраполяции её значений на нулевой' радп-надреза неприменим для рассмотренных dL- титановых сплавов в гервале температур 293-77 К.

Показано, что ударная вязкость сварного соединения значитель-вьгае ударной вязкости металла поковок из сплавов ПТ-З.М, 1ГГ—33 12 в интервале 29С-77 К, что обусловлено пониженным содержанием гирукцих элементов в сварлом шве.

5. Установлено, что адаимозаманяемссть сплавов 1ТГ-З.У и 19

л температуре 4,2 К возмояяа в условиях отатачесхих • нагрузок. : наличии ударных воздействий сплав 1ТГ—ЗМ предпочтительнее.

Таким образом, совокупность проведениях исследований меха-юекпх свойств oL~ титановых сплавов и их сварных, соединений, тользовшпмх л ротора крнотурбогенератора КТГ-300-2У, подязерл:-зт возможность обеспечешы надежности ротора при использовании к сплавог в качества конструкционных материалов в интергглэ яюратуп эксплуатации 4,2 - 293 К.

Публикации по теме диссертации:

Зикулин A.B., Смирнов В.Г. X вопросу определена* удельной работа разруаения // В кн.: Прочность металлов, работающих в условиях низких температур. - М.: Металлургия, 1387, с.85-83.

л. Смирнов В.Г. Установка для определения механических свойств материалов // Пкф.листок й 433-К2,- Л.: ШЛИ, 1989.

3. Сшрнов В.Г. Использование анализатора акустической эмиссии в установке для определении вязкости разрушения материалов при криогенных температурах // Икф.листок й 395-90. - Л.:ВДТИ, 1990. V

-1. Смирнов Б.Г., Солнцев Ю.П., Соснин Л.В.

Использование акустической эмиссии для оценки вязкости разрушения при крлогею-ых тешературах // В кн.: Прочность и разрушение сталей при низких тешературах. - 11.: Металлургия, 1990, с. 142-150.

. Смирнов В.Г., Солнцев Ю.П.

Использование акустической эмиссии для определения вязкости разрушения при криогешшх температурах // Проблемы прочности.-1990. - К II - С.24-27.

. Сшрнов В.Г. ыетод определения вязкости разрушения титановых сплавов с использованием акустической эмиссии при криогенных температурах // Инф.листок Л 516-91. - Л.: ЦКТй, 1991.

7. Смирнов В.Г., Солнцев Ю.П., Стефанович С.Г.

Эффект тепловыделения при определении вязкости разрушения в сроде гадкого гелия // Заводская лаборатория. - 1991. -- № 10. - С.34-36.

•Подписано к печати Ob Tupas 100 экз. ....... Sanas Бесплатно

Отпечатано на ротапринте лгт/

195251, С-Пехербург,Политехническая ул.,29. ,

Z0