Методические указания по определению характеристик жаропрочности и долговечности металла котлов, турбин и трубопроводов. СО 153-34.17.471-2003
Актуально на 31.10.2026.
Как цитировать: "Методические указания по определению характеристик жаропрочности и долговечности металла котлов, турбин и трубопроводов. СО 153-34.17.471-2003". СО 153-34.17.471-2003. https://bukva.ai/docs/so-153-34-17-471-2003
(утв. Приказом Минэнерго РФ от 30.06.2003 № 271)
от 30 июня 2003 г. № 271
с 30 июня 2003 года
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК ЖАРОПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛА КОТЛОВ, ТУРБИН И ТРУБОПРОВОДОВ
Настоящие Методические указания (СО 153-34.17.471-2003) распространяются на стали и сплавы для энергомашиностроения и энергетики, которые предназначены для изготовления оборудования, работающего при температуре более 115 °С или избыточном давлении пара или воды более 7 МПа. Характеристики жаропрочности определяются для сталей и сплавов, длительно работающих при температуре более 400 °С.
Методические указания устанавливают единые планы испытаний, а также методы обработки полученных данных с целью определения характеристик жаропрочности сталей (сплавов), применяемых в энергомашиностроении и энергетике.
Характеристики жаропрочности предназначены для:
- расчетов на прочность деталей котлов, турбин и трубопроводов;
- оценки жаропрочности вновь разрабатываемой марки стали или сплава;
- оценки жаропрочности отдельных партий металла или металла изделий после технологических операций;
- оценки жаропрочности и долговечности металла элементов котлов, турбин и трубопроводов в процессе их эксплуатации;
- оценки жаропрочности металла при проведении научно-исследовательских работ.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1 Условные обозначения:
t - температура, °С; t - расчетная температура металла, °С;
м
тау — время равномерного удлинения, ч; р
сигма - номинальное напряжение, МПа; дельта - остаточное удлинение, %; дельта - равномерное остаточное удлинение при времени тау , %; р р дельта - остаточное удлинение после разрушения образца, %;
к
дельта - заданное остаточное удлинение при ресурсе тау , %; з з пси - остаточное сужение, %; пси - равномерное остаточное сужение при времени тау , %; р р пси - остаточное сужение после разрушения образца, %;
к тау
______ 1 i дельта = ---- интеграл дельта (тау)dтау - средняя деформация в i тау 0 i текущей точке i кривой i ползучести;
тау
______ 1 к дельта = ---- интеграл дельта (тау)dтау - средняя деформация при к тау 0 к разрушении образца;
к
t
сигма - условный предел длительной прочности д.п,тау (значение напряжения, вызывающее разрушение з при температуре t и заданном ресурсе тау ),
з
МПа;
t
сигма - условный предел ползучести (значение п-дельта ,тау напряжения, при котором остаточное удлинение з з достигает заданного значения дельта при
з
температуре t и заданном ресурсе тау ), МПа;
з
t
сигма - релаксационная стойкость (значение рк,тау остаточного напряжения, до которого з понижается начальное упругое напряжение сигма за заданный ресурс тау при
з
температуре t), МПа;
t
дельта - условный предел остаточного удлинения к,тау (значение остаточного удлинения при з температуре t и заданном ресурсе тау ), %;
з
t
пси - условный предел остаточного сужения к,тау (значение остаточного сужения при з температуре t и заданном ресурсе тау ), %;
з
t
дельта - условный предел равномерного остаточного р,тау удлинения (значение равномерного остаточного р удлинения при температуре t и времени
равномерной деформации тау ), %;
р
t
пси - условный предел равномерного остаточного р,тау сужения (значение равномерного остаточного р сужения при температуре t и времени
равномерной деформации тау ), %;
р
t л t л t л (сигма ) ; (сигма ) ; (сигма ) ; д.п,тау п-дельта ,тау рк,тау з з з з t л t л t л t л (дельта ) ; (пси ) ; (дельта ) ; (пси ) - к,тау к,тау р,тау р,тау з з р р лабораторные характеристики жаропрочности,
МПа, %;
t п t п t п (сигма ) ; (сигма ) ; (сигма ) ; д.п,тау п-дельта ,тау рк,тау з з з з t п t п t п t п (дельта ) ; (пси ) ; (дельта ) ; (пси ) - к,тау к,тау р,тау р,тау з з р р первичные характеристики жаропрочности,
МПа, %;
t t t (сигма ); (сигма ); (сигма ); д.п,тау п-дельта ,тау рк,тау з з з з t t t t (дельта ); (пси ); (дельта ); (пси ) - к,тау к,тау р,тау р,тау з з р р предварительные нормативные характеристики
жаропрочности, МПа, %;
t t t t сигма ; сигма ; сигма ; дельта ; д.п,тау п-дельта ,тау рк,тау к,тау з з з з з t t t пси ; дельта ; пси - нормативные характеристики к,тау р,тау р,тау жаропрочности, МПа, %. з р р
1.2. Определения
1.2.1. Лабораторная партия стали (сплава) — металл одной плавки, изготовленный во внепромышленных условиях, термообработанный по одному режиму, механические свойства которого по пределам прочности и текучести при температуре 20 °С различаются не более чем на +/- 50 МПа. Химический состав и механические свойства металла, а также режимы термообработки должны соответствовать выходным данным стали (сплава).
1.2.2. Опытно-промышленная партия стали (сплава) — металл одной плавки, изготовленный в промышленных условиях в процессе его внедрения в производство, химический состав, механические свойства, а также режим термообработки которого соответствуют требованиям временных технических условий на трубы, отливки, поковки и другие полуфабрикаты для энергомашиностроения.
1.2.3. Промышленная партия стали (сплава) — металл одной плавки, изготовленный в промышленных условиях, химический состав и механические свойства, а также режим термообработки которого соответствуют требованиям технических условий на трубы, отливки, поковки и другие полуфабрикаты для энергомашиностроения.
1.2.4 Марка стали (сплава) — металл промышленных партий, взятых от разных плавок:
- для крупногабаритных изделий единичного производства (корпуса, ротора турбины и пр.) — не менее 6 партий;
- для крупносерийного производства — не менее 10 партий.
Рекомендуется в число этих партий включать партии с содержанием углерода и легирующих элементов на верхнем и нижнем пределах, оговоренных в технических условиях, а также металл изделий после окончательных технологических операций.
1.2.5. Изделие — деталь котла, турбины или трубопровода, изготовленная из металла, химический состав и механические свойства которого отвечают требованиям действующих нормативных документов (НД) или технических условий. Металл изделия должен соответствовать марке стали (сплава), разрешенной Правилами Госгортехнадзора России для данных условий эксплуатации.
1.2.6. Заданный ресурс — время, для которого определяются характеристики жаропрочности стали (сплава) или расчетный срок эксплуатации изделия.
1.2.7. Дополнительный ресурс — дополнительное время к заданному ресурсу, для которого можно определить характеристики жаропрочности стали (сплава) на основании проведенных испытаний при определении характеристик на заданный ресурс или срок дополнительной безаварийной эксплуатации детали котла, турбины или трубопровода.
1.2.8 Характеристики жаропрочности — характеристики прочности
стали (сплава) при повышенных температурах, к которым относятся: t условный предел длительной прочности сигма ; условный д.п,тау з t предел ползучести сигма ; релаксационная стойкость п-дельта ,тау з з t сигма и параметры длительной пластичности: условный предел рк,тау з t остаточного удлинения дельта , условный предел остаточного к,тау з t сужения пси , условный предел равномерного остаточного к,тау з t удлинения дельта , условный предел равномерного остаточного р,тау р t сужения пси . р,тау р
1.2.9 В комплекс обязательных для определения характеристик
стали (сплава) входят: пределы прочности, текучести, удлинения и сужения при температуре 20 °С и расчетной температуре; условные
t
пределы длительной прочности сигма , ползучести д.п,тау з
t t
сигма , остаточного удлинения дельта ,
п-дельта ,тау к,тау
з з з
t
остаточного сужения пси , равномерного остаточного удлинения к,тау з
t t
дельта и равномерного остаточного сужения пси , а для
р,тау р,тау
р р
материалов, предназначенных для крепежных изделий и
t
трубопроводов — релаксационная стойкость сигма . рк,тау з
Для каждой определяемой характеристики должны быть приведены значения дисперсии.
1.2.10. К категории лабораторных характеристик жаропрочности стали (сплава) относятся характеристики, определенные на металле лабораторных партий.
1.2.11. К категории первичных характеристик жаропрочности стали (сплава) относятся характеристики, определенные на металле опытно-промышленных партий.
1.2.12. К категории предварительных нормативных характеристик стали (сплава) относятся характеристики, определенные на металле первых промышленных партий.
1.2.13. К категории нормативных характеристик относятся характеристики, определенные на количестве промышленных партий, представляющих марку стали (сплава).
1.2.14. Планируемые испытания — испытания стали (сплава) на жаропрочность, проведенные по планам, предусмотренным настоящими Методическими указаниями.
1.2.15. Произвольные испытания — испытания партии стали (сплава) на жаропрочность, проведенные по планам испытаний, отличных от предусмотренных настоящими Методическими указаниями.
1.2.16. Аналитический метод обработки данных планируемых испытаний на жаропрочность основан на использовании компьютера и позволяет определить все характеристики жаропрочности.
1.2.17. Аналитический метод обработки данных произвольных испытаний на жаропрочность основан на использовании компьютера и позволяет с помощью базовых диаграмм определить условные пределы длительной прочности, ползучести, остаточного удлинения и остаточного сужения для марки стали или сплава.
1.2.18. При использовании аналитических методов обработки данных испытаний на жаропрочность точность определения условных пределов длительной прочности, указанная в пунктах 3.3.3; 5.3; 10.4 и 10.5 настоящих Методических указаний, обеспечена отсутствием экстраполяции по напряжениям.
Точность определения нормативных или предварительных нормативных характеристик для марки стали (сплава), кроме ошибки собственно методов определения жаропрочных и механических свойств, зависит от величины доверительного интервала, определенного объемом выборки и дисперсией оцениваемой характеристики.
1.2.19. Оценка жаропрочности стали (сплава) в исходном состоянии, после окончательных технологических операций и при эксплуатации основана на сопоставлении данных испытаний на длительную прочность отдельных партий металла или металла изделий с нормативными характеристиками марки стали (сплава).
1.2.20. Ускоренный метод оценки жаропрочных свойств стали (сплава) или металла изделий основан на качественном сопоставлении данных испытаний на жаропрочность с нормативными характеристиками марки стали (сплава).
1.3. Область применения
1.3.1. Комплекс лабораторных характеристик жаропрочности стали (сплава) используется в качестве заявочного для характеристики свойств новой марки стали (сплава) и применяется для предварительных прочностных расчетов при ее опытном эксплуатационном опробовании.
Допустимо использование комплекса лабораторных характеристик во временных технических условиях на изготовление как самой марки стали (сплава), так и изделий из нее.
1.3.2. Комплекс первичных характеристик жаропрочности стали (сплава) используется при отработке технологии изготовления металла в промышленных условиях, составлении временных технических условий и для предварительных прочностных расчетов при опытном эксплуатационном опробовании металла или изделий из него.
1.3.3 Комплекс предварительных нормативных характеристик
стали (сплава) используется при составлении технических условий на изготовление как самой марки стали (сплава), так и изделий из нее,
а также при прочностных расчетах промышленных изделий. Значения
t t
(сигма ) и (сигма ) должны быть уменьшены при
д.п,тау п-дельта ,тау
з з з
этом на 10%. Для крупногабаритных изделий (корпуса, ротора турбины
и пр.) единичного производства допустимо помещать комплекс предварительных нормативных характеристик стали (сплава) в НД и
справочники с соответствующим указанием их категории и уменьшением
t t
значений (сигма ) и (сигма ) на 20%.
д.п,тау п-дельта ,тау
з з з
1.3.4. Комплекс нормативных характеристик определяет прочностные свойства марки стали (сплава), используется в технических условиях в качестве гарантированных значений жаропрочности, помещается в НД и справочники, по нему проводятся массовые прочностные расчеты промышленных изделий.
1.3.5. Оценка жаропрочных свойств стали (сплава) производится с целью отбраковки партий металла в исходном состоянии, а также металла отдельных изделий после окончательных технологических операций при их изготовлении. Объем проверяемых партий металла и количество изделий регламентируются специальными документами.
1.3.6. Оценка жаропрочности металла изделий при эксплуатации производится с целью определения дополнительного ресурса (времени дальнейшей безаварийной эксплуатации).
1.4. Характеристики релаксационной стойкости стали (сплава) определяются согласно действующим НД. Рекомендуется использовать расчетный метод, изложенный в настоящих Методических указаниях.
1.5. Предварительные нормативные и нормативные характеристики жаропрочности стали (сплава) в объеме, предусмотренном пунктом 1.2.9 настоящих Методических указаний, определяются организацией — разработчиком металла.
1.6. Все первичные данные по результатам испытаний стали (сплава) на жаропрочность, а также все материалы по их обработке хранятся у организации — разработчика материала.
1.7. Лабораторные и нормативные характеристики стали (сплава) для энергомашиностроения, а также предварительные характеристики для крупногабаритных изделий единичного производства согласовываются в установленном порядке.
1.8 Для каждой категории характеристик стали или сплава
(лабораторных, первичных, предварительных нормативных, нормативных) рекомендуется определять температурные зависимости механических свойств металла (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение) в интервале
температур 20 °С — t . м
1.9. Рекомендуется для всех сталей (сплавов) строить изохронные кривые ползучести.
1.10. Для ответственных изделий производится расчет на прочность с учетом реального сложнонапряженного состояния.
1.11. При научно-исследовательских работах, связанных с изучением металла и выбором композиций сталей (сплавов), могут проводиться испытания по другим планам, отличным от указанных в настоящих Методических указаниях.
1.12. Программы для расчетов характеристик жаропрочности находятся в ЦНИИТМАШ.
Перечень программ представлен в Приложении Б.
1.13. Все данные испытаний, результаты их обработки и значения характеристик жаропрочности рекомендуется представлять в унифицированном виде. Формы таблиц и диаграмм даны в Приложении В.
2. ОБЪЕМ ИСПЫТАНИЙ
2.1 Условные обозначения:
t
сигма — предел прочности при температуре t, МПа; в с
дельта — суммарное удлинение при нагружении, %; н
у сигма дельта = ----- - упругое удлинение при нагружении (Е - н Е Т
Т
модуль нормальной упругости металла при температуре испытания, МПа), %;
с у дельта = дельта - дельта - остаточное удлинение при н н н
нагружении, %; с
дельта — суммарное удлинение во время испытаний, %; в
с у дельта = дельта - дельта - остаточное удлинение во время в в н
испытаний, %;
п с с дельта = дельта - дельта - деформация ползучести, %; в в н тау - время измерения удлинения, ч;
в
тау — время, соответствующее заданному остаточному дельта з удлинению дельта , ч; з
тау — время до разрушения, ч; к t
i с у t , сигма , тау , сигма , дельта , дельта , дельта , i i к в н н н i i i i с п дельта , дельта , дельта , тау - параметры i-гo испытания. в в в в i i i i
Остальные условные обозначения — согласно разделу 1.1.
2.2. Все испытания на жаропрочность проводятся согласно действующим государственным стандартам.
2.3. Образцы для испытаний каждой партии стали (сплава) изготавливаются из металла, механические свойства которого по пределам прочности и текучести при температуре 20 °С различаются не более чем на +/- 50 МПа.
2.4. При каждом режиме испытывается не менее двух параллельных образцов. Если времена до разрушения параллельных образцов при любом режиме различаются между собой более чем в 2 раза, то проводятся дополнительные испытания на двух образцах при том же режиме.
При обработке учитываются все результаты, полученные при основных и дополнительных испытаниях.
2.5 Испытания на жаропрочность проводятся при температурах из следующего ряда:
- для углеродистых и малолегированных сталей — 400; 425; 450; 475; 500; 525 и 550 °С;
- для среднелегированных сталей — 400; 425; 450; 475; 500; 525; 550; 575; 600; 625 и 650 °С;
- для аустенитных и высокохромистых сталей — 400; 450; 500; 550; 600; 650; 700; 750 и 800 °С;
- для сплавов — 500; 550; 600; 650; 700; 750; 800; 850; 900; 950; 1000; 1050 и 1100 °С.
2.6 При испытаниях на жаропрочность температура испытаний t
1
должна соответствовать ближайшей по отношению к температуре t из м
ряда, указанного в пункте 2.5 (t ~= t ). 1 м
2.7. Допустимо проводить испытания при большем числе режимов и большем времени до разрушения, чем указано в настоящем разделе.
2.8 План полных испытаний
2.8.1 Испытания должны быть проведены по режимам (напряжение,
температура):
сигма , сигма и сигма при t ~= t ; 1 2 3 1 м сигма , сигма и сигма при t > t . 4 5 6 2 1
Значения t и t принимаются согласно пункту 2.5. 2 1
2.8.2 Среднее время до разрушения тау должно быть не менее:
к
0,005 тау для сигма ; з 1 0,020 тау для сигма ; з 2 0,060 тау для сигма ; з 3 0,003 тау для сигма ; з 4 0,010 тау для сигма ; з 5 0,050 тау для сигма . з 6 Разница между значениями напряжений испытаний сигма должна
i
составлять не менее 10%.
При выборе значений напряжений сигма , сигма , с которых 1 4 следует начинать испытания, ориентиром может служить значение
t
0,6 — 0,8 сигма . в
Значения времени до разрушения, полученные при испытаниях, должны охватывать интервал не менее 1,3 порядка по логарифмической шкале времени.
2.8.3 Число испытанных образцов должно быть не менее 12.
2.8.4 Испытания проводятся с измерением деформации.
2.8.5. Результаты обрабатываются аналитическим методом для планируемых испытаний. При определении условных пределов длительной прочности и ползучести допустимо обрабатывать данные испытаний упрощенным аналитическим методом.
2.9 План длительных испытаний
2.9.1 Испытания должны быть проведены при температуре
t ~= t (см. пункты 2.5 и 2.6). 1 м
2.9.2 Испытания проводятся при пяти напряжениях, причем
среднее время до разрушения тау должно быть не менее: к
0,005 тау для сигма ; з 1 0,030 тау для сигма ; з 2 0,070 тау для сигма ; з 3 0,150 тау для сигма ; з 4 0,250 тау для сигма . з 5 Указания по выбору напряжения сигма по разнице между
1
значениями напряжений и значениями времени до разрушения даны
в пункте 2.8.2.
2.9.3 Число испытанных образцов должно быть не менее 10.
2.9.4. Испытания для получения условного предела ползучести проводятся с измерением деформации.
2.10 План сокращенных испытаний
2.10.1. Испытания должны быть проведены по режимам (напряжение, температура):
сигма , сигма и сигма при t >= t (см. пункт 2.5);
1 2 3 1 м
сигма , сигма и сигма при t = t + 50 °С.
4 5 6 2 1
2.10.2 Среднее время до разрушения тау должно быть не менее:
к
0,004 тау для сигма ; з 1 0,010 тау для сигма ; з 2 0,015 тау для сигма ; з 3 0,002 тау для сигма ; з 4 0,005 тау для сигма ; з 5 0,010 тау для сигма . з 6 Указания по выбору напряжений сигма и сигма по разнице между 1 4 значениями напряжений и по значениям времени до разрушения даны
в пункте 2.8.2.
2.10.3 Число испытанных образцов должно быть не менее 12.
2.10.4 Испытания проводятся с измерением деформации.
2.10.5. Результаты обрабатываются аналитическим методом для планируемых испытаний. Допустимо определять условные пределы длительной прочности и ползучести упрощенным методом.
2.11 План оценочных испытаний
2.11.1. Испытания должны быть проведены по режимам (напряжение, температура):
сигма при t >= t (см. пункт 2.5);
1 1 м сигма при t = t + 50 °С. 2 2 1
2.11.2 Значения напряжений выбираются по нижней границе
допускаемой полосы разброса для условного предела длительной прочности нормативных характеристик марки стали (сплава) при
времени до разрушения тау , равном 300 ч. к
Для сталей, приведенных в НД Госгортехнадзора России, нижняя граница строится при напряжениях, меньших нормативных на 20%.
2.11.3 Число испытанных образцов должно быть не менее 4.
2.11.4 Испытания проводятся без измерения деформации.
2.11.5. Оценка длительной прочности стали (сплава) производится по ускоренному методу.
2.12. Лабораторные характеристики жаропрочности определяются на металле трех лабораторных партий стали (сплава), каждая из которых испытывается по плану сокращенных испытаний (см. раздел 2.10 настоящих Методических указаний).
Данные испытаний каждой партии обрабатываются согласно пункту 2.10.5. Совместная обработка характеристик жаропрочности обследованных партий производится аналитическим методом для планируемых испытаний.
2.13. Первичные характеристики жаропрочности определяются на металле трех опытно-промышленных партий. План испытаний и обработка результатов такие же, как и при определении лабораторных характеристик (см. пункт 2.12).
2.14. Предварительные нормативные характеристики определяются на металле четырех первых промышленных партий стали (сплава). Допустимо проводить испытания на металле первой партии, уточняя полученные характеристики данными испытаний последующих партий.
Испытания каждой партии металла выполняются по плану полных испытаний (см. раздел 2.8 настоящих Методических указаний), а обработка данных как по отдельной партии, так и по совокупности характеристик жаропрочности обследованных партий — аналитическим методом для планируемых испытаний.
Если испытания на жаропрочность были проведены и обработаны не по настоящим Методическим указаниям, то совокупность характеристик жаропрочности партий можно обрабатывать аналитическим методом для произвольных испытаний.
2.15. Нормативные характеристики жаропрочности определяются на металле промышленных партий, представляющих марку стали или сплава (см. пункт 1.2.4).
План испытаний и обработка результатов такие же, как и при определении предварительных нормативных характеристик (см. пункт 2.14).
2.16. Испытания для оценки жаропрочных свойств отдельных партий металла в исходном состоянии и металла изделий при эксплуатации проводятся по плану сокращенных испытаний. Допускается проведение испытаний без измерения деформации.
2.17. Контроль жаропрочных свойств отдельных партий металла или металла изделий после окончательных технологических операций проводится на основании результатов испытаний по оценочному плану (см. раздел 2.11 настоящих Методических указаний).
2.18. По данным испытаний на жаропрочность строятся кривые деформирования (первичные кривые ползучести) в координатах тау — дельта (рисунок 1 — здесь и далее рисунки не приводятся). Кривые деформирования рекомендуется получать с помощью компьютера по программам Б.1.1 и Б.1.2 Приложения Б.
2.19 По кривым деформирования для каждого испытания можно
определить время тау , соответствующее заданному остаточному дельта з удлинению дельта (см. рисунок 1). з
2.20 В результате испытаний образцов на жаропрочность с
измерением деформации должны быть получены значения: - температуры t; - напряжения сигма; - времени тау и тау ;
в к
с у н с п
- <a id="p100181"></a>удлинения дельта ; дельта ; дельта ; дельта ; дельта ;
н н н в в
2.21 Испытания для определения кратковременных механических
свойств стали (сплава) проводятся на девяти образцах от каждой
партии металла. Для определения характеристик стали (сплава)
образцы испытываются при температурах t , t (принимаемых по
1 2
пунктам 2.8.1; 2.9.1; 2.10.1 и 2.11.1) и t = 20 °С. 3
Количество партий для определения лабораторных, первичных, предварительных нормативных и нормативных характеристик
принимаются согласно пунктам 2.12; 2.13; 2.14 и 2.15 настоящих Методических указаний.
Рекомендуется для каждой партии и совокупности партий строить температурную зависимость в интервале от t до t на основании 3 1 проведения дополнительных испытаний не менее чем при двух
значениях температуры из следующего ряда: - для углеродистых и малолегированных сталей — 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450 и 500 °С; - для среднелегированных сталей — 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 550 и 600 °С; - для аустенитных и высокохромистых сталей — 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 550; 600; 650; 700; 750 и 800 °С; - для сплавов — 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 550; 600; 650; 700; 750; 800; 850; 900; 950; 1000; 1050 и 1100 °С.
Испытания при температурах t , t и t следует считать 1 2 3
основными.
2.22. Результаты проведенных испытаний образцов на жаропрочность и кратковременные механические свойства стали (сплава) помещаются в таблицу 1, которая служит основанием для последующего определения необходимых характеристик.
2.23. Данные испытаний (время тау и удлинения дельта в н
с
и дельта ) помещаются в таблицу Б.1 Приложения Б. в
И ДАННЫЕ ИХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ
| 1 Индекс карты Лист 1 | |||||||||||||||||||||||||||||
| 2 | Марка стали (сплава) | 3 Организация-испытатель 4 | Категория испытания | Примечание | |||||||||||||||||||||||||
| 5 Индекс партии | 6 | Предприятиеизготовитель | 7 | Способ 8 плавки | Масса партии или размеры изделия | 9 Режимы термообработки | Примечание | ||||||||||||||||||||||
| 10 | Химический состав, % | ||||||||||||||||||||||||||||
| 11 | Результаты механических испытаний | ||||||||||||||||||||||||||||
| Клеймо образца | Температура испытаний t, °С | Предел прочности сигма , в МПа | Предел текучести сигма , 0,2 МПа | Относительное удлинение дельта, % | Относительное сужение пси, % | Твердость по Бринеллю НВ | Балл зерна | Микротвердость | Структура | Клеймо образца | Температура испытаний t, °С | Ударная вязкость альфа , н Дж/кв. м | Примечание | ||||||||||||||||
| 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | |||||||||||||||||
| 1 | Индекс карты | Лист 2 | |||||||||
| 25 | Результаты длительных испытаний | ||||||||||
| Клеймо образца | Температура испытания t, °С | Номинальное напряжение сигма , МПа в | Время до разрушения тау , ч к | Суммарное удлинение при нагружении с дельта , % н | Остаточное удлинение после разрушения дельта , % к | Остаточное сужение после разрушения пси , % к | Примечание | ||||
| 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | |||||
| 1 | Индекс карты | Лист 3 | ||||||||||
| 33 | Данные первичной обработки результатов длительных испытаний | |||||||||||
| Клеймо образца | Модуль упругости Е , МПа т | Суммарное удлинение при нагружеу нии дельта , % н | Время тау , соответствующее дельта з заданному удлинению дельта , ч з | Время равномерной деформации тау , ч р | Равномерное остаточное удлинение дельта , % р | Примечание | ||||||
| 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | |||
┌────────────────────────────────────────────────────────────────┬───┬────────────────────────────────┬─────────┐
│ │ 1 │ Индекс карты │ Лист 4 │
├───────┬────────────────────────────────────────────────────────┴───┴────────────────────────────────┴─────────┤
│ 44 │ Данные первичной обработки деформации ползучести │
├───────┼────────────────────────────┬────────────────────────────┬─────────────────────────────────────────────┤
<pre class="legal-pre">│ Клеймо│ Переходная стадия │ Квазиравномерная стадия │ п │
│образца│ деформирования │ деформирования │ Деформация ползучести дельта , % │
│ │ │ │ в │
│ ├────────────┬───────────────┼────────────┬───────────────┼──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──────┤
│ │ Отрезок │ Количество │ Отрезок │ Количество │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │Приме-│
│ │ времени │ отрезков │ времени │ отрезков │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │чание │
│ │ДЕЛЬТА тау ,│ДЕЛЬТА тау (u )│ДЕЛЬТА тау ,│ДЕЛЬТА тау (u )│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ 1 │ 1 1 │ 2 │ 2 2 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ ч │ │ ч │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │</pre>
├───────┼────────────┼───────────────┼────────────┼───────────────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──────┤
│ 45 │ 46 │ 47 │ 48 │ 49 │50│51│52│53│54│55│56│57│58│59│60│61│62│ │
├───────┼────────────┼───────────────┼────────────┼───────────────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──────┤
├───────┼────────────┼───────────────┼────────────┼───────────────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──────┤
├───────┼────────────┼───────────────┼────────────┼───────────────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──────┤
├───────┴────────────┴───────────────┴────────────┴───────────────┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──────┤
<pre class="legal-pre">│Примечания. │
│1. В графу 1 помещается индекс карты, одинаковый для всех листов. Желательно все 4 листа выполнять в виде│
│единой карты. │
│2. В графы 2, 5 - 9 заносятся сертификатные данные металла. │
│3. В графе 4 указывается категория определяемой характеристики (см. пункты 1.2.10 - 1.2.13 настоящих│
│Методических указаний). │
│4. В графу 10 заносятся поэлементно данные химического состава. │
│5. В разделы 11, 25, 33 и 44 таблицы 1 помещаются данные проведенных испытаний. │
│6. В графы 19 - 21 заносятся данные металлографических исследований. │
│7. Данные для графы 35 берутся из справочников или из банка данных по материалам. │
│8. Графы 22 - 24 заполняются по результатам испытаний образцов на ударную вязкость. │
│9. В графы 26 - 32 помещаются результаты испытаний, проведенных по разделу 2 настоящих Методических указаний. │
│10. В графы 34 и 45 заносятся клейма образцов из графы 26. │
│ у сигма │
│11. Данные графы 36 подсчитываются по формуле дельта = ----- (см. пункт 2.1 настоящих Методических указаний). │
│ н Е │
│ Т │
│12. В графы 37 - 41 заносятся данные, полученные согласно пункту 2.19 настоящих Методических указаний. │
│13. Данные граф 42 и 43 определяются из рисунка 3 (см. пункт 3.2.2.1 настоящих Методических указаний). │
│14. Данные граф 46 - 49 определяются из рисунка 4 (см. пункт 3.2.3.2 настоящих Методических указаний). │
│15. В графы 50 - 62 помещаются данные, определенные согласно пункту 3.2.3.3 настоящих Методических указаний. │
│16. В графе "Примечание" приводятся дополнительные сведения, необходимые для более полной характеристики│
│испытываемых образцов и режимов испытаний. │</pre>
└───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ПЛАНИРУЕМЫХ ИСПЫТАНИЙ
3.1 Условные обозначения:
N — количество испытанных образцов;
Р — параметр длительной прочности; д.п
Р — параметр остаточного удлинения; у
Р — параметр остаточного сужения; с
Р — параметр равномерного остаточного удлинения; р.у
сигма — истинное напряжение испытаний, МПа; 0
сигма' — условный предел длительной прочности, определенный д.п по параметрической диаграмме жаропрочности, МПа;
дельта — остаточное удлинение, соответствующее окончанию п переходной стадии деформирования, %;
тау - время, соответствующее дельта , ч; п п ДЕЛЬТА тау - отрезок времени на переходной стадии
1
деформирования, ч;
ДЕЛЬТА тау — отрезок времени на квазиравномерной стадии 2 деформирования, ч;
u - количество отрезков ДЕЛЬТА тау ; 1 1 u - количество отрезков ДЕЛЬТА тау ; 2 2
а, b, с, n, r — постоянные, характеризующие свойства металла;
М — количество партий стали (сплава);
2 2 S и S - дисперсии постоянных b и с соответственно; b с cov - ковариация постоянных b и с;
b,с
р — вероятность разрушения образцов;
Z — коэффициент, зависящий от величины р. р
Остальные условные обозначения — согласно разделам 1.1 и 2.1 настоящих Методических указаний.
3.2. Предварительная обработка данных испытаний
3.2.1 Для оценки правильности проведения испытаний (согласно
разделам 2.8 или 2.10), а также для возможности корректировки
режимов в процессе испытаний строится условная параметрическая диаграмма длительной прочности в координатах Р - lg сигма
д.п
(рисунок 2). Расчеты ведутся по программе Б.1.6 Приложения Б.
3.2.1.1 Значение параметра длительной прочности определяется для каждого испытания по формуле:
-3
Р = Т (lg тау - 2 lg Т - а) х 10 , (1) д.п к
где Т - температура испытания, К.
При отсутствии марочных данных значение постоянной а принимается для углеродистых, малолегированных, среднелегированных и высоколегированных сталей минус 25, для аустенитных сталей — минус 20, для сплавов — минус 30.
3.2.1.2 По средним значениям параметра длительной прочности,
подсчитанным для каждого уровня напряжений (сигма , сигма ,
1 2
сигма , сигма , сигма , сигма — см. пункты 2.8.2 или 2.10.2),
3 4 5 6 проводится прямая линия условной параметрической диаграммы (1 на
рисунке 2).
3.2.1.3. Если по результатам испытаний, нанесенным на условную параметрическую диаграмму, можно провести две линии, то в дальнейшую обработку включаются лишь данные, лежащие на правой ее ветви.
3.2.1.4 Считается, что испытания на жаропрочность проведены
правильно, если в дальнейшей обработке могут участвовать данные не
менее четырех напряжений и соблюдено условие сигма < сигма'
6 д.п
(см. пункты 2.8.2 и 2.10.2). В противном случае проводятся
дополнительные испытания при температуре t > t (см. пункт
3 2
2.5) и напряжениях сигма и сигма , среднее время до разрушения
7 8
которых не должно быть менее 0,005 тау для сигма и 0,030 тау
з 7 з
для сигма . 8
3.2.2 Для определения значения равномерного остаточного
удлинения строится кривая остаточного удлинения в координатах тау в
---- - lg дельта (рисунок 3) для каждого режима испытаний. тау в
к
3.2.2.1 По точке перелома кривой, характеризующей переход от
квазиравномерного деформирования к заключительной стадии разрушения (точка Р на рисунке 3), определяется значение равномерного остаточного удлинения дельта и соответствующее ей
р
значение времени тау . р
3.2.2.2 Значение равномерного остаточного сужения подсчитывается по формуле:
дельта
р
пси = -----------. (2) р 1 + дельта
р
3.2.3 Для выполнения расчетов, необходимых при построении
изохронных кривых ползучести и определении релаксационной стойкости стали (сплава), строится кривая деформации ползучести в
п
координатах тау — дельта (рисунок 4). в
3.2.3.1. На кривую деформации ползучести наносятся точки П и Р, соответствующие окончанию переходной и квазиравномерной стадий формирования. Координаты этих точек принимаются по кривой остаточного удлинения (см. рисунок 3).
3.2.3.2. Интервалы времени между началом испытаний и окончанием переходной стадии деформирования и между началом и окончанием квазиравномерной стадии деформирования (тау - тау ) п р разбиваются на равные отрезки ДЕЛЬТА тау и ДЕЛЬТА тау 1 2 соответственно (см. рисунок 4). Количество отрезков в каждом интервале может быть любое, но не менее пяти (u >= 5 и u >= 5). 1 2
3.2.3.3 Соответственно для каждого отрезка в каждом интервале
определяются значения остаточного удлинения (дельта , дельта и
1 2
т.д.), которые помещаются в таблицу 1 (см. пункт 2.22) и используются при обработке данных испытаний (см. пункты 3.9.1.1 и 3.10.1).
3.3. Определение условных пределов длительной прочности
3.3.1 Математическая обработка результатов испытаний партии
стали (сплава), основанная на формуле:
b - с сигма
1 1 m
lg тау = 0,4343 (а + -------------) - - lg сигма + 2 lg Т, (3)
к 1 Т Т
производится на компьютере по программе Б.1.3 Приложения Б. Коэффициент m для сталей (сплавов), предназначенных для энергомашиностроения, принимается равным 2400.
3.3.1.1. Необходимые для расчетов данные испытаний (температура t, номинальное напряжение сигма и время до разрушения тау ) берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22). к
3.3.1.2 В результате математической обработки на компьютере
получаются таблицы, в которых представлены значения времени до разрушения тау для заданных температур и напряжений,
к
коэффициентов формулы (3) и значение дисперсии, характеризующее отклонение экспериментальных точек от расчетной поверхности в направлении оси ln тау . к
3.3.1.3 Из полученных таблиц для расчетной температуры
t
находится напряжение сигма — условный предел длительной д.п,тау з
прочности, при котором тау = тау . Необходимые промежуточные
к з
значения напряжений находятся путем линейной экстраполяции.
3.3.1.4 По формуле (3) с определенными на компьютере
коэффициентами можно построить график длительной прочности в координатах lg тау - lg сигма. Кроме того, результаты
к
математической обработки используются для построения параметрических диаграмм.
3.3.2. Для определения нормативных условных пределов длительной прочности, характеризующих марку стали, подсчитываются средние значения постоянных для М партий по формулам:
_ 1 М _ 1 М _ 1 М а = - SUM а ; b = - SUM b ; с = - SUM с , (4) 1 М i=1 1 1 М i=1 1 1 М i=1 1 i i i где а , b и с - значения постоянных каждой партии, 1 1 1 i i i
определенные по программе Б.1.3 Приложения Б (см. пункт 3.3.1 настоящих Методических указаний).
3.3.2.1. Определение условных пределов длительной прочности математическим путем производится по формуле (3) подставлением в нее значений постоянных, подсчитанных по формулам (4).
Составляется через 10 МПа ряд значений напряжений, t ограниченный наименьшим и наибольшим значениями сигма , д.п,тау з определенными по пункту 3.3.1.3 для каждой из М партий. Последовательно в формулу (3) подставляются значения напряжений из этого ряда и определяется значение lg тау . За величину к t сигма для марки стали (сплава) принимается напряжение, д.п,тау з t
когда lg тау = lg тау . Все значения сигма для каждой
к з д.п,тау
з
партии и в формуле (3) должны соответствовать одной и той же t температуре. Промежуточное значение сигма определяется д.п,тау з путем линейной интерполяции.
3.3.2.2 Значения условных пределов длительной прочности могут
быть рассчитаны по параметрической диаграмме жаропрочности в координатах Р - lg сигма.
д.п
3.3.2.3 Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле:
_ _ -3 Р = (0,4343b - m lg сигма - 0,4343с сигма) х 10 . (5) д.п 1 1
Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.3.1, _ _ значения постоянных b и с — по пункту 3.3.2. 1 1
3.3.2.4 Задается ряд значений напряжений сигма в диапазоне от
сигма до сигма (см. пункты 2.8.2 или 2.10.2) или сигма (см. 1 6 8 пункт 3.2.1.4), подсчитывается значение параметра Р и строится д.п параметрическая диаграмма жаропрочности (1 на рисунке 5).
3.3.2.5. Для определения условных пределов длительной прочности для заданных температуры и ресурса рассчитывается значение параметра по формуле:
_ -3 Р = Т (lg тау - 2 lg Т - 0,4343а ) х 10 . (6) д.п з 1
Значение условного предела длительной прочности находится из формулы (5).
3.3.2.6. При необходимости определения условных пределов длительной прочности с вероятностью разрушения образцов, отличной от принятой для нормативных характеристик (р = 0,5), значение параметра для построения параметрической диаграммы рассчитывается по формуле:
_ _ Р = (0,4343b - m lg сигма - 0,4343с сигма + д.п 1 1
________________________________
/2 2 2 -3
+ 0,4343Z \/S - 2cov сигма + S сигма ) х 10 , (7)
р b b,с с
1 1
где:
2 2 _ _
S и S - дисперсии постоянных b и с , подсчитываемые
b с 1 1
1 1
по формулам:
2 1 М _ 2 S = ----- SUM(b - b ) ; (8) b М - 1 i=1 1 1 1 i 2 1 М _ 2 S = ----- SUM(с - с ) ; (9) с М - 1 i=1 1 1 1 i Z - коэффициент, определяемый по заданной вероятности
р
разрушения образца согласно таблице 2;
_ _
cov - ковариация постоянных b и с :
b,с 1 1
1 М _ _
cov = ----- SUM(b - b ) х (с - с ). (10)
b,с М - 1 i=1 1 1 1 1
i i
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА Z ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ р ВЕРОЯТНОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦОВ
| Вероятность разрушения | 0,010 | 0,025 | 0,050 | 0,100 | 0,500 |
|---|---|---|---|---|---|
| Z р | -2,33 | -1,96 | -1,64 | -1,28 | 0,00 |
Расчеты ведутся по программе Б.2 Приложения Б.
Для ряда напряжений подсчитываются значения параметра и строится параметрическая диаграмма жаропрочности для заданной вероятности разрушения (2 на рисунке 5).
Значение условного предела длительной прочности находится из формулы (7).
3.3.2.7 Упрощенный метод определения долговечности
3.3.2.7.1 Наиболее стабильным параметром стали является
_ _
свободный член (а = 0,4343а ) уравнения (3), что дает право в 1 _
первом приближении считать а постоянной величиной, тогда задача
оценки долговечности сводится к определению значений только двух
коэффициентов - b и с .
1 1
3.3.2.7.2 В этом случае достаточно ограничиться испытаниями
на длительную прочность при двух температурно-силовых режимах -
для t и t + 50 °С. Напряжения для каждого опыта выбираются так,
м м
чтобы при рабочей температуре (t ) время до разрушения не
м
превышало 1000 — 1200 ч, а при форсированном режиме (t + 50 °С) м было в пределах 300 — 500 ч. Если точки всех испытаний не выпадают
за пределы нижней границы полосы разброса (линия 2 на рисунке 5), то исследуемая партия металла соответствует рассматриваемой марке стали. В противном случае дополнительно испытываются два образца (по одному на каждом температурно-силовом режиме), производится
статистическая обработка данных по всем (шести) образцам с помощью уравнения (3) и определяются для исследованной партии коэффициенты
_ _ b и с . 1 1
Значительное сокращение числа испытываемых образцов существенно снижает суммарное время эксперимента.
3.3.2.7.3. При m = -2400 получены для ряда наиболее используемых в тепловой энергетике сталей следующие значения
_
постоянного коэффициента а: _
сталь марки 12Х1МФ а = -24,88 _
сталь марки 15Х1М1Ф а = -25,2 _
сталь марки 15Х1М1ФЛ а = -25,02 сталь марки 1Х18Н12Т _ (пароперегревательные трубы) а = -20,38
_
сталь марки 12Х11В2МФ (ЭИ756) а = -34,37 _
сталь марки 25Х1М1Ф (Р2М, роторная) а = -24,1.
3.3.3 Точность определения условных пределов длительной
прочности по данному методу в диапазоне напряжений испытания от сигма до сигма (см. пункты 2.8.2 или 2.10.2) или сигма (см. 1 6 8 пункт 3.2.1.4) составляет +/- 3%, если соблюдено одно из условий:
t t сигма <= сигма или сигма <= сигма . 6 д.п,тау 8 д.п,тау з з
3.4. Определение условных пределов ползучести
3.4.1 Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле:
b - с х сигма
2 2 m
lg тау = 0,4343 (а + ---------------) - - lg сигма + 2 lg Т, (11)
дельта 2 Т Т
з
производится на компьютере по программе Б.1.3 Приложения Б. Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.3.1.
3.4.1.1 Необходимые для расчета данные испытания (температура
t, номинальное напряжение сигма и время тау , при котором дельта з
остаточное удлинение дельта = дельта , определяемое согласно
8 з
пункту 2.19) берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22).
3.4.1.2 В результате математической обработки на компьютере
получаются таблицы, в которых представлены значения тау для дельта з заданных температур и напряжений, коэффициентов формулы (11) и
значение дисперсии, характеризующее отклонение экспериментальных точек от расчетной поверхности в направлении оси ln тау .
дельта
з
3.4.1.3 Из полученных таблиц для расчетной температуры
t
находится напряжение сигма — условный предел п-дельта ,тау
з з
ползучести, при котором тау = t . Необходимое промежуточное
дельта з
з
значение напряжения определяется путем линейной интерполяции.
3.4.1.4. По формуле (11) с определенными на компьютере коэффициентами можно построить график ползучести в координатах ln тау — ln сигма. Кроме того, результаты математической обработки используются для построения параметрических диаграмм.
3.4.2. Для определения нормативных условных пределов ползучести, характеризующих марку стали, подсчитываются средние значения постоянных для М партий по формулам:
_ 1 М _ 1 М _ 1 М а = - SUM а ; b = - SUM b ; с = - SUM с , (12) 2 М i=1 2 2 М i=1 2 2 М i=1 2 i i i где а , b и с - значения постоянных каждой партии, 2 2 2 i i i
определенные по программе Б.1.3 Приложения Б для пункта 3.4.1.
3.4.2.1. Определение условных пределов ползучести аналитическим методом производится по формуле (11), в нее подставляются значения постоянных, подсчитанные по формулам (12). Последовательность расчетов по формуле (11) аналогична расчетам по определению условных пределов длительной прочности по формуле (3), описанным в пункте 3.3.2.1.
3.4.2.2 Значения условных пределов ползучести могут быть
рассчитаны по параметрической диаграмме жаропрочности в координатах Р - lg сигма. Значение параметра для построения
п
параметрической диаграммы подсчитывается по формуле:
_ _ -3 Р = (0,4343b - m lg сигма - 0,4343с сигма) х 10 . (13) п 2 2
При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4 (см. рисунок 5).
3.4.2.3. С целью определения условных пределов ползучести для заданных температуры и ресурса рассчитывается значение параметра по формуле:
_ -3 P = T (lg тау - 2 lg Т - 0,4343а ) х 10 , (14) п з 2
и из формулы (13) находится искомое значение.
3.4.2.4. При необходимости определения условных пределов ползучести с вероятностью, отличной от принятой для нормативных характеристик, значение параметра для построения параметрической диаграммы рассчитывается по уравнению:
_ _ Р = (0,4343b - m lg сигма - 0,4343с сигма + 0,4343Z х п 2 2 р
________________________________
/2 ' 2 2 -3
х \/S - 2cov сигма + S сигма ) х 10 , (15)
b b,с с
2 2
_ _
где дисперсии постоянных b и с , а также их ковариация
2 2
подсчитываются по формулам:
2 1 М _ 2 S = ----- SUM(b - b ) ; (16) b М - 1 i=1 2 2 2 i 2 1 М _ 2 S = ----- SUM(с - с ) ; (17) с М - 1 i=1 2 2 2 i ' 1 М _ _ cov = ----- SUM(b - b ) х (с - с ), (18) b,с М - 1 i=1 2 2 2 2 i i
а значение коэффициента Z находится по таблице 2. р
Расчеты ведутся по программе Б.2 Приложения Б.
Построение параметрической диаграммы жаропрочности аналогично указаниям пункта 3.3.2.6 для длительной прочности. Значение условного предела ползучести находится из формулы (15).
3.5. Определение условных пределов остаточного удлинения
3.5.1 Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле:
b - с х сигма
3 3 m
lg дельта = 0,4343 (а + ---------------) - - lg сигма, (19)
к 3 Т Т
производится с помощью компьютера по программе Б.1.3 Приложения Б.
Значение коэффициента m принимается равным 800.
3.5.2 Необходимые для расчета данные испытаний (температура
t, номинальное напряжение сигма и значение остаточного удлинения при разрушении дельта ) берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22). к
3.5.3 В результате математической обработки на компьютере
получаются таблицы, в которых представлены значения остаточного удлинения дельта при заданных значениях температуры и напряжения,
к
коэффициентов уравнения (19) и значение дисперсии, характеризующее отклонение экспериментальных точек от расчетной поверхности по оси ln дельта . к
3.5.4 Из полученных таблиц для расчетной температуры и
значения напряжения, равного условному пределу длительной прочности при тау (см. пункт 3.3.1.3), находится условный предел з остаточного удлинения. Промежуточные значения напряжений и искомых величин определяются путем линейной интерполяции.
3.5.5 По формуле (19) с определенными на компьютере
коэффициентами можно построить графики в координатах lg сигма - lg дельта . Используя зависимость времени до разрушения от
к
напряжения, определяемую формулой (3) (см. раздел 3.3), можно
построить также графики временной зависимости остаточного
удлинения после разрушения при постоянной температуре в
координатах lg тау - lg дельта . Результаты математической
з к
обработки используются для построения параметрических диаграмм.
3.5.6 Значения условных пределов остаточного удлинения можно
рассчитать по параметрической диаграмме жаропрочности в координатах Р - lg сигма (рисунок 6).
у
3.5.6.1 Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле:
-3
Р = (0,4343b - m lg сигма + 0,4343с сигма) х 10 . (20) п 3 3
Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1. При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4.
3.5.6.2 По формуле (20) для значения условного предела
длительной прочности, соответствующего ресурсу тау , находится з
значение параметра Р . По определенному значению параметра Р и
у у
расчетной температуре Т = t + 273 подсчитывается значение
1
искомого предела остаточного удлинения по формуле:
3
t 10 lg дельта = Р --- + 0,4343а . (21) к,тау у Т 3
з
3.6. Определение условных пределов остаточного сужения
3.6.1 Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле:
b - с сигма
4 4 m
lg пси = 0,4343 (а + -------------) - - lg сигма, (22)
к 4 Т Т
производится на компьютере по программе Б.1.3 Приложения Б. Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1.
3.6.2 Необходимые для расчета данные испытаний (температура
t, номинальное напряжение сигма и остаточное сужение при разрушении пси ) берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22). к
3.6.3 В результате математической обработки на компьютере
получаются таблицы, в которых представлены значения остаточного сужения пси при заданных значениях температуры и напряжения, а
к
также коэффициенты уравнения (22) и значение дисперсии, характеризующее отклонение экспериментальных точек от расчетной поверхности по оси ln пси . к
3.6.4 Из полученных таблиц для расчетной температуры и
значения напряжения, равного условному пределу длительной прочности при тау (см. пункт 3.3.1.3), находится условный предел з остаточного сужения. Промежуточные значения напряжений и искомых величин определяются путем линейной интерполяции.
3.6.5 По формуле (22) с определенными на компьютере
коэффициентами можно построить графики в координатах lg сигма — lg пси . к
Используя зависимость времени до разрушения от напряжения, определяемую формулой (3) (см. раздел 3.3), можно построить также графики временной зависимости остаточного сужения после разрушения
при постоянной температуре в координатах lg тау - lg пси .
к к
Результаты математической обработки используются для
построения параметрических диаграмм.
3.6.6 Значения условных пределов остаточного сужения можно
также рассчитать по параметрической диаграмме жаропрочности в координатах Р - lg сигма (см. рисунок 6).
с
3.6.6.1 Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле:
-3
Р = (0,4343b - m lg сигма - 0,4343с сигма) х 10 . (23) с 4 4
Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1. При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4.
3.6.6.2 По формуле (23) для значения условного предела
длительной прочности, соответствующего ресурсу тау , находится з
значение параметра Р . По расчетной температуре Т = t + 273 и
с 1
определенному значению параметра Р определяется значение искомого
с
предела остаточного сужения по формуле:
3
t 10 lg пси = Р --- + 0,4343а . (24) к,тау с Т 4
з
3.7. Определение условных пределов равномерного остаточного удлинения и сужения
3.7.1 Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле:
b + с сигма
5 5 m
lg дельта = 0,4343 (а + -------------) - - lg сигма, (25)
р 5 Т Т
производится на компьютере по программе Б.1.3 Приложения Б. Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1.
3.7.2 Необходимые для расчета данные испытаний (температура
t, номинальное напряжение сигма и равномерное остаточное удлинение дельта ) берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22). р
3.7.3 В результате математической обработки на компьютере
получаются таблицы, в которых представлены значения равномерного остаточного удлинения при заданных температурах и напряжениях, а
также коэффициенты уравнения (25) и значение дисперсии, характеризующее отклонение экспериментальных точек от расчетной поверхности по оси ln дельта . р
3.7.4 Из полученных таблиц для расчетной температуры и
значения напряжения, равного условному пределу длительной прочности при тау (см. пункт 3.3.1.3), находится условный предел з равномерного остаточного удлинения. Промежуточные значения искомых величин определяются путем линейной интерполяции.
3.7.5 По формуле (25) с определенными на компьютере
коэффициентами можно построить графики в координатах lg сигма — lg дельта . р
3.7.6 Для определения времени равномерного удлинения используется формула:
b + с сигма
6 6 m
lg тау = 0,4343 (а + -------------) - - lg сигма + 2 lg Т. (26)
р 6 Т Т
Математическая обработка и представление полученных данных
производятся аналогично пункту 3.3.1, при этом принимается
тау = тау . к р
На основе данных формулы (26) можно построить графики
зависимости времени равномерного удлинения от напряжения при постоянной температуре в координатах lg тау - lg сигма, а также
р
получить график временной зависимости равномерного остаточного
удлинения в координатах lg тау - lg дельта .
р р
3.7.7 Значения условных пределов равномерного остаточного
t
удлинения дельта можно рассчитывать по параметрической р,тау р диаграмме пластичности в координатах Р — lg сигма. р.у
3.7.7.1 Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле:
-3
Р = (0,4343b - m lg сигма + 0,4343с сигма) х 10 . (27) р.у 5 5
Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1. При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4.
3.7.7.2 По формуле (27) для условного предела длительной
прочности, соответствующего ресурсу тау , находится значение з
параметра Р . По расчетной температуре Т = t + 273 и
р.у 1
определенному значению параметра Р рассчитывается значение
р.у
искомого предела равномерного остаточного удлинения по формуле:
3
t 10 lg дельта = Р --- + 0,4343а . (28) р,тау р.у Т 5
р
3.7.7.3 Условный предел равномерного остаточного сужения определяется по формуле:
t
дельта
р,тау
t р пси = ----------------. (29) р,тау t р 1 + дельта
р,тау
р
3.8. Определение ресурса равномерного остаточного удлинения
3.8.1. Математическая обработка результатов испытаний партии стали (сплава), основанная на формуле (25), производится на компьютере по программе Б.1.3 Приложения Б. Значение коэффициента m принимается согласно пункту 3.5.1.
3.8.2. Необходимые для расчета данные испытаний (температура t, номинальное напряжение сигма) берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22).
3.8.3 В результате математической обработки на компьютере
получаются таблицы, в которых помещены значения равномерного остаточного удлинения при заданных температурах и напряжениях, а
также коэффициенты уравнения (25) и значение дисперсии, характеризующее отклонение экспериментальных точек от расчетной поверхности по оси lg дельта . р
3.8.4 Из полученных таблиц для расчетной температуры и
значения напряжения, равного условному пределу длительной прочности при тау (см. пункт 3.3.1.3), находится ресурс з
равномерного остаточного удлинения. Промежуточные значения напряжений и искомых величин определяются путем линейной
интерполяции.
3.8.5 По формуле (25) с определенными на компьютере
коэффициентами можно построить графики в координатах lg сигма - lg дельта . Используя зависимость времени до разрушения от
р
напряжения, определяемую формулой (3) (см. раздел 3.3), можно
построить также графики временной зависимости равномерного
остаточного удлинения при постоянной температуре в координатах
lg тау - lg дельта .
к р
Результаты математической обработки используются для построения параметрических диаграмм.
3.8.6 Значения ресурса равномерного остаточного удлинения
дельта можно рассчитывать по параметрической диаграмме р,t,тау з пластичности в координатах Р — lg сигма.
3.8.6.1. Значение параметра для построения параметрической диаграммы подсчитывается по формуле (20).
Коэффициент m принимается согласно пункту 3.5.1. При построении диаграммы используются указания пункта 3.3.2.4.
3.8.6.2 По формуле (20) находится значение параметра Р .
у
По расчетной температуре Т = t + 273 и определенному значению
1
параметра Р подсчитывается значение искомого ресурса равномерного у остаточного удлинения по формуле:
3
10
lg дельта = Р --- + 0,4343а . (30) р,t,тау у Т 3
з
3.9. Определение изохронных кривых ползучести
3.9.1 Математическая обработка первичных кривых ползучести партии стали (сплава), основанная на уравнении состояния:
п
b - с сигма - r дельта . п -2 m/Т п -n 7 7 0 в дельта = ехр(а ) Т сигма (дельта + дельта ) ехр(- --------------------------), (31) в 7 0 н в Т
производится на компьютере по программе Б.1.4 Приложения Б.
сигма = сигма — при испытании с постоянным напряжением; 0 п
сигма = сигма (1 + дельта + дельта ) - при испытании с 0 н в
постоянной нагрузкой.
Коэффициент m принимается согласно пункту 3.3.1.
3.9.1.1 Необходимые для расчета данные испытаний (температура
t, номинальное напряжение сигма, остаточное удлинение при нагружении дельта ) и данные первичной обработки (см. пункт 3.2.3) н
(количество отрезков в интервале u и u , значения отрезков
1 2
времени ДЕЛЬТА тау и ДЕЛЬТА тау и остаточного удлинения по
1 2
п п
кривой остаточного деформирования дельта , дельта и т.д.)
в в
1 2
берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22).
3.9.1.2 В результате математической обработки на компьютере
получаются значения постоянных а , b , с , r и n уравнения (31) и 7 7 7 п дисперсии натурального логарифма величины дельта , в i характеризующей отклонение экспериментальных значений логарифма скорости ползучести от расчетных.
3.9.2 Данные для построения кривых ползучести партии стали (сплава) определяются на компьютере по формулам:
- при испытаниях с постоянной нагрузкой:
b - с сигма (1 + дельта )
2 -m/Т 7 7 н
тау = ехр(-а ) Т сигма ехр(---------------------------) х
п 7 Т
дельта в
п п n
дельта (дельта + дельта ) r + с сигма
в н в п 7 п
х интеграл -------------------------- ехр[-дельта (------------)]dдельта ; (32)
0 п m/Т в Т в
(1 + дельта + дельта )
н в
- при испытаниях с постоянным напряжением:
b - с сигма
2 -m/Т 7 7
тау = ехр(-а ) Т сигма ехр(-------------) х
п 7 Т
дельта
в
п
дельта
в п n r п п
х интеграл(дельта + дельта ) ехр(- - дельта )dдельта . (33)
0 н в Т в в
В формулах (32) и (33) значение m принимается согласно пункту 3.3.1.
Значения времени тау при соответствующих им значениях п дельта в п остаточного удлинения дельта получаются после обработки данных на в компьютере по программе Б.1.5 Приложения Б при Т = const, сигма = const и дельта = const. н
3.9.2.1 По полученным данным строятся кривые ползучести
п
партии стали (сплава) в координатах тау - дельта для
п в
дельта
в
каждого режима испытаний Т , сигма и дельта . Из уравнения (31)
i i н
можно определить значение минимальной скорости ползучести
. n Т
дельта = --- - дельта .
min r н
3.9.3. Изохронные кривые ползучести строятся по полученным данным для партии стали (сплава) в координатах сигма — дельта при t = const и тау = const.
3.9.4 Для расчетной температуры t = const строится семейство
м
изохронных кривых. Каждая i-я кривая семейства получается для тау = const.
i
Начальной изохронной кривой является среднестатистическая кривая активного растяжения, для которой принимается тау = 0. Все
i
последующие изохронные кривые данного семейства получаются из
первичных кривых ползучести, построенных для ряда значений
напряжений, с учетом значения суммарного начального удлинения
с с
дельта . Значение дельта для каждого значения времени тау =
н н i
const определяется по начальной изохронной кривой.
В условиях эксплуатации допустимое значение деформации ползучести, как правило, не превышает 2%, поэтому даже при больших запасах изохронные кривые используются в пределах, не превышающих 5%.
При таком ограничении нет необходимости в механическом уравнении состояния учитывать изменение поперечного сечения рабочей части образцов и вводить дополнительный член вида
п
(1 + дельта + дельта ) в уравнение (31). н в
3.10. Расчет характеристик релаксационной стойкости
3.10.1. Математическая обработка данных испытаний партии стали (сплава) производится на компьютере согласно пункту 3.9.1.
3.10.2. Данные для построения кривой релаксации партии стали (сплава) определяются на компьютере по программе Б.1.5 Приложения Б, основанной на формуле:
b - с сигма
2 7 7
тау = ехр(-а ) Т ехр(-------------) х
п 7 Т
дельта
в
п п n
дельта (дельта + дельта ) r - с Е
в н в п 7 Т п
х интеграл ----------------------- ехр[-дельта (---------)]dдельта , (34)
0 п m/Т в Т в
(сигма - Е дельта )
Т в
где m принимается согласно пункту 3.3.1.
Значения времени тау при соответствующих им значениях п дельта в п остаточного удлинения дельта получаются после обработки данных в при Т = const и заданных значениях номинального напряжения сигма и остаточного удлинения при нагружении дельта . н
3.10.2.1. Для каждого значения времени тау и п дельта в п остаточного удлинения дельта определяется значение остаточного в напряжения по формуле:
п
сигма = сигма - Е дельта . рк Т в
3.10.2.2 Для заданного режима t, сигма, дельта строится
н
кривая релаксации в координатах тау — сигма . рк t
3.10.3 Значение релаксационной стойкости сигма
рк,тау
з
находится по кривой релаксации при заданной долговечности тау . з
3.11. Для сталей тепловой энергетики 12Х1М1Ф, 15Х1М1Ф и 25Х1М1Ф допускается для предварительного анализа и прогноза использовать уравнение (48). После логарифмирования этого уравнения получаются формулы, близкие к приведенным в данном разделе.
4. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВИДА СЛОЖНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.1 Условные обозначения:
сигма = сигма ехр[лямбда (эта - 1)], (35) экв к
где:
1
сигма = - (сигма + |сигма |) (1 - А ) + сигма А ; к 2 1 1 0 i 0 лямбда - комплексный коэффициент, дающий оценку влияния однородного сложного напряженного состояния на активационные параметры разрушения; через лямбда он определяет степень влияния
1
напряженного состояния на энергию активации, а через лямбда — на 2 концентрацию напряжений в микрообъемах металла;
2 (сигма + сигма + сигма )
1 2 3
эта = --------------------------------
0,5 (сигма + |сигма |) + сигма
1 1 i
(здесь сигма , сигма и сигма - главные нормальные напряжения,
1 2 3
сигма > сигма > сигма );
1 2 3
А - постоянная, отражающая долю влияния главного нормального
0
напряжения сигма и интенсивности напряжений сигма :
1 i
___________________________________________________________
1 / 2 2 2 сигма = --- \/(сигма - сигма ) + (сигма - сигма ) + (сигма - сигма ) . i _ 1 2 1 3 2 3
\/2
Оптимальное решение поставленной задачи дает объединение уравнения долговечности типа (3) с критерием прочности (35). В результате зависимость долговечности жаропрочных материалов с учетом вида сложного однородного напряженного состояния после логарифмирования представляется в удобном для дальнейшей обработки виде:
m
lg тау = а + l lg Т - - lg сигма + к Т к
b
1 с m
+ -- - - сигма ехр[лямбда (эта - 1)] - b - (эта - 1), (36)
Т Т к 2 2 Т
где:
U
0
а = lg А; b = 0,4343 --; 1 R
лямбда
1
b = 0,4343 -------; 2 R
гамма
l - показатель степени при температуре в предэкспоненциальной функции, 0 <= l <= 2 (для материалов стационарного
энергомашиностроения l = 2);
гамма — коэффициент концентрации напряжений в микрообъемах материала;
U — энергия активации разрушения; 0
m — показатель степени при напряжении в предэкспоненциальной функции уравнения долговечности (Приложение А); для многих материалов энергомашиностроения m = 2400, а в общем случае значения m находятся в интервале (400 <= m <= 4000);
лямбда и лямбда - неотрицательны. 1 2
4.2. Оценка неизвестных коэффициентов уравнения типа (36) осуществляется в несколько этапов.
4.2.1. Проводятся испытания на длительную прочность трубчатых образцов при двух — трех уровнях температуры.
На одноосное растяжение испытываются две серии образцов: сплошные цилиндрические и тонкостенные трубчатые. Должно быть
проведено несколько серий испытаний трубчатых образцов при плоском
напряженном состоянии, в том числе при внутреннем давлении,
крутящем моменте, сочетании осевой силы и крутящего момента. Для
проверки изотропии материала рекомендуется проводить опыты при
внутреннем давлении и осевой силе (двухосное равное растяжение)
так, чтобы сигма = 2сигма .
1 2
4.2.2 Размеры трубчатых образцов должны удовлетворять
следующим требованиям:
l D + D
S 0 н в
--- <= 0,1; --- >= 5; D = -------, (37)
D D ср 2
ср ср
где:
S - толщина стенки образца;
D и D - соответственно наружный и внутренний диаметры
н в
рабочей части образца; l — длина рабочей части. 0
4.2.3 Коэффициент А рассчитывается по результатам испытаний
0
в квадранте растяжения и сжатия (сигма > 0, сигма = 0,
1 2
сигма
р
сигма < 0), например, по формуле: А = -------, где сигма и
3 0 сигма р
сж
сигма - прочность при растяжении и сжатии при тау = const.
сж к
4.2.4 Изменяя дискретно значения l и m, полагая лямбда = 0,
2
сравнивая дисперсии отклонений расчетных по формуле (36) и экспериментальных значений логарифмов тау и выбирая расчет с i наименьшей дисперсией, можно получить оценку значений коэффициентов а, b , b , с. 1 2
4.2.5 Путем перебора значений лямбда аналогично пункту 4.2.4
2
определяются оптимальные значения всех коэффициентов уравнения (36), которые позволяют оценивать влияние вида сложного
однородного напряженного состояния на долговечность материала в
любой точке пространства сигма > сигма > сигма .
1 2 3
4.3 Заданный расчет долговечности производится по уравнению
(36) и программе Б.5 Приложения Б. При этом характеристиками
напряженного состояния являются главные нормальные напряжения
сигма , сигма , сигма и ряд производных функций от них: сигма ,
1 2 3 экв
сигма , эта, коэффициент А . к 0
5. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛА В УСЛОВИЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ И МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ
5.1. Процесс ползучести при эксплуатации энергетического оборудования может сопровождаться развитием малоцикловой усталости металла, связанной с нестационарностью (цикличностью) изменения эксплуатационных параметров нагружения. В этих условиях долговечность металла и его длительная прочность могут значительно отличаться от аналогичных характеристик для стационарного уровня нагружения.
5.2. Под малоцикловой усталостью понимается процесс, развивающийся в результате действия переменных температурных и
механических напряжений, вызывающих циклическое упругопластическое
деформирование металла, накопление повреждений и разрушение в
2 5
области малого числа циклов нагружения (от 10 до 10 ). К
характерным циклическим режимам, определяющим развитие
малоцикловой усталости металла элементов энергооборудования,
относятся пуски и остановы, переходные режимы эксплуатации,
термические удары, циклические компенсационные и термические
колебания.
5.3. Для оценки изменения характеристик длительной прочности и долговечности испытания проводятся в режимах последовательного (комбинированного) нагружения при ползучести и малоцикловой усталости. Повреждаемость от ползучести и малоцикловой усталости рассчитывается по параметру суммарной относительной долговечности:
n ~ m ~ А = SUM N + SUM тау , (38) с i=1 i i=1 i
где:
~
N = N / N - доля относительной долговечности при
i i рi
малоцикловой усталости в i-м режиме с числом циклов нагружения N
i
и числом циклов до разрушения N ; рi ~
тау = тау / тау - доля относительной долговечности при
i i рi
ползучести в i-м режиме при времени нагружения тау и времени до
i
разрушения тау ; рi n и m — число режимов при малоцикловой усталости и ползучести соответственно.
5.4. Оценка малоцикловой повреждаемости производится на основе кривых малоцикловой усталости, полученных в соответствии с требованиями ГОСТ 25.505-85 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний. Метод испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении», в условиях жесткого нагружения (с заданными не менее чем на трех уровнях значениями упруго-пластической деформации). Для оценки характеристик малоцикловой усталости допускается использовать зависимости циклической долговечности, определенные по механическим (жаропрочным) свойствам металла.
5.5. Оценка характеристик длительной прочности производится по упрощенному методу (раздел 3) с испытанием не менее шести образцов для каждого состояния материала. Выбранный уровень напряжений должен соответствовать области межзеренного разрушения. Для оценки доли повреждаемости от ползучести допускается использование среднемарочных зависимостей длительной прочности.
5.6. Испытания при последовательном нагружении проводятся с внесением фиксированной доли предварительного малоциклового повреждения на уровне 0,3 и 0,7 с последующим испытанием в условиях ползучести. После малоциклового испытания поверхность образцов должна подвергаться дополнительной обработке с целью удаления поверхностного поврежденного слоя металла.
Равноправной для оценки суммарной долговечности является методика предварительного внесения повреждаемости от ползучести в интервале 0,3 — 0,7 и определения остаточной долговечности в условиях малоциклового нагружения.
5.7. Обработка данных испытаний производится для каждой из заданных температур для получения зависимости параметра суммарной относительной долговечности в виде:
_ n m 2 А = 1 + альфа \/2 [1 - (SUM N / N - SUM t / t ) ], (39) с с i=1 i рi i=1 i рi где альфа - экспериментально определяемый коэффициент,
с
характеризующий степень отклонения полученных данных от прямой при линейном суммировании повреждаемости и зависящий от уровня и последовательности приложения стационарной и циклической компонент нагружения. При этом _
При альфа > 0 имеет место упрочнение материала при с взаимодействии ползучести и малоцикловой усталости, при альфа < 0 с
- разупрочнение по отношению к зависимости линейного суммирования (альфа = 0). с
5.8. Для определения значения альфа в каждом режиме с
нагружения с заданными значениями температуры Т, напряжения ползучести сигма, размаха упругопластической деформации в цикле и доли циклического N или статического тау повреждения металла испытывается не менее двух образцов. По полученным данным рассчитываются значения параметра А в соответствии с формулой
с
_
(38), затем определяется среднее значение А и находится значение с коэффициента альфа по соотношению: с
_ _ альфа = (А - 1) / \/2. (41) с с Минимальное из значений альфа , полученных по
с
экспериментальным данным, используется для дальнейшей оценки
характеристик длительной прочности в условиях ползучести и
малоцикловой усталости. При альфа >= 0 считается, что А = 1.
с с
5.9. Обработка данных испытаний для прогнозирования характеристик длительной прочности и остаточного ресурса в условиях малоциклового нагружения производится в соответствии с модифицированным параметрическим уравнением в виде:
m b k ~ с l ~ lg тау = а + 2 lg Т - - lg сигма + - + - N - - сигма + - сигма N, (42) р Т Т Т Т Т
где коэффициенты а, m, b и с соответствуют аналогичным коэффициентам параметрического уравнения (3); коэффициенты k и l определяют изменения активационных параметров разрушения, связанные с изменением состояния материала при внесении доли малоциклового повреждения;
~ n ~ N = SUM N . (43) i=1 i
5.10. Дальнейшая оценка характеристик длительной прочности и долговечности производится для заданных условий длительного статического и нестационарного нагружения по рабочим параметрам оборудования и предполагаемым циклическим режимам эксплуатации с выделением экстремально нагруженных конструктивных зон с учетом соответствующих коэффициентов концентрации напряжений.
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТИЧНОСТИ И ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА
6.1. Условные обозначения применяются в соответствии с разделами 1.1, 2.1 и 3.1 настоящих Методических указаний.
6.2. В разделе 3 изложен метод расчета характеристик прочности и пластичности при разрушении, включающий критическую фазу развития ползучести (интенсивного накопления повреждений и деформации ползучести), которую необходимо исключить при оценке срока службы.
6.3 Деформационную способность в первом приближении можно рассчитывать по уравнению:
U - гамма сигма
к 0
дельта = D сигма ехр(- ----------------) омега , (44)
i R Т i
р
где омега =(тау / тау ) (здесь р - рассчитываемый
i i р
коэффициент).
Для значительного снижения роли критической стадии ползучести следует использовать формулу оценки поврежденности, выраженную через среднюю деформацию ползучести, накопленную с момента приложения нагрузки до момента разрыва материала. В этом случае поврежденность оценивается по значению средней деформации ползучести, рассчитываемому по формуле:
тау
______ 1 к -m/Т b + с сигма дельта = ---- интеграл дельта (тау)dтау = А сигма ехр[-----------]. (45) к тау 0 п Т
к
Степень поврежденности определяется величиной отношения:
тау
1 i
---- интеграл дельта (тау)dтау
тау 0 п
i
омега = [------------------------------]. (46) i тау 1 к
---- интеграл дельта (тау)dтау
тау 0 п
к
При омега = 1 происходит исчерпание деформационной i способности и наступает разрушение материала.
6.4 Остаточный ресурс определяется по уравнению:
l -m/Т U - гамма сигма тау = В Т сигма ехр(---------------) омега , (47) р Т i
i
где омега находится по формуле (46). i
6.4.1 В качестве первого приближения оценки поврежденности можно использовать формулу:
N
омега = (эпсилон / эпсилон ) , i i к
где N — коэффициент, аналогичный р (см. пункт 6.3).
6.4.2. Более точной оценкой поврежденности является формула (46), введение которой в уравнение (47) значительно повышает достоверность оценки остаточного ресурса из-за существенного снижения роли критической фазы ползучести.
6.5. На кривых ползучести существуют три реперные точки, по которым можно судить о степени поврежденности материала.
6.5.1. Процесс ползучести состоит из двух этапов. На первой стадии скорость затухает и достигает минимума при окончании первого этапа процесса (первая реперная точка).
Уравнения механического состояния позволяют оценить значение деформации окончания затухающей стадии ползучести:
с n Т дельта = --- - дельта . п r 0
На этой стадии повреждения практически отсутствуют (самый безопасный период).
6.5.2 Вторая реперная точка связана с моментом перехода от
обратимой поврежденности к необратимой. До трехкратного увеличения
. .
скорости ползучести (дельта = 3 дельта ) долговечность
п min
восстанавливается полностью. После этого момента дальнейшая
эксплуатация требует восстановительной термической обработки,
позволяющей залечить поры и улучшить структуру металла. С помощью
уравнения состояния рассчитывается критическое значение
накопленной деформации ползучести, после которой без термической
обработки эксплуатация связана с определенным риском.
6.5.3. По мере развития ускоренной стадии ползучести происходит увеличение количества пор и их слияние в микротрещины, после чего наступает критическая фаза ползучести, которую необходимо исключить из допустимого ресурса. В этой стадии применение восстановительной термической обработки может оказаться неэффективным.
За время до разрушения (третья реперная точка) можно считать время накопления предельно допустимой деформации. При этом оно должно быть не более 90% суммарной долговечности.
7. ЭКСПРЕССНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛА (СТАЛЕЙ 12Х1МФ, 15Х1М1Ф И 25Х1М1Ф) В ЭКСПЛУАТАЦИИ
7.1. Метод заключается в определении предела длительной прочности металла, находящегося в эксплуатации, по результатам испытаний не менее четырех образцов при одном и том же температурно-силовом режиме. Если время до разрушения хотя бы одного образца отличается от среднего более чем в два раза, проводятся испытания еще двух образцов в том же температурно-силовом режиме.
7.2. Для энергетических перлитных сталей хромомолибденованадиевого класса для предварительного анализа и прогнозирования жаропрочных характеристик возможно использование зависимости:
2
-2 W + с сигма В = А сигма ехр(------------ + альфа сигма), (48)
К Т
где:
В - исследуемый параметр металла (в частности, время до
разрушения тау); А, с — постоянные коэффициенты; сигма — напряжение, МПа; W — энергия активации ползучести (разрушения), равная -19 6,4 х 10 Дж (4 эВ); К — постоянная Больцмана; Т — температура, К; -8 альфа = 2 х 10 Па.
Найти А и с можно, если прологарифмировать уравнение и применить программу Б.4.1 Приложения Б.
7.3. На формуле (48) основывается ускоренный метод оценки долговечности энергетических материалов. Последовательность действий приведена ниже.
7.4 Согласно действующим НД рассчитывается эксплуатационное
напряжение сигма в элементе. э
7.5 Рассчитывается эксплуатационный параметр нагружения:
2
сигма
э
П = ------, э Т
э
где Т - температура эксплуатации паропровода.
э
7.6 Выбирается такой повышенный режим испытания образца
(напряжение сигма , температура Т ), при котором параметр режима
и и
испытания (П ) будет равным эксплуатационному (П ): и э
2
сигма
и
П = ------ = П , и Т э
и
однако механизм разрушения образца не меняется. Для паропроводов температура Т не должна превышать 600 - 620 °С.
и
7.6.1 Испытываются образцы в едином температурно-силовом
режиме (под напряжением сигма и при температуре Т ) до
и и
разрушения. Время до разрушения металла в условиях эксплуатации
рассчитывается (программа Б.4.2 Приложения Б) по формуле:
2
сигма
и W 1 1 тау = тау ------ ехр[- х (-- - --)] х ехр[альфа (сигма - сигма )], (49) э и 2 К Т Т э и сигма э и
э
где:
тау - среднее время до разрушения образцов:
и
М
SUM тау
i=1 иi тау = --------- (здесь М - число образцов); и М
альфа, W, К — определены в пункте 7.2.
7.6.2 Коэффициент запаса по долговечности равен:
t
э
К = ---. t 5
10
7.6.3 Требуемому полуторакратному коэффициенту запаса
0,263
длительной прочности К = К соответствует коэффициент
д.п t
запаса по долговечности К = 5,7.
t
7.6.4 Если К меньше 5,7, необходимо провести исследование
t
структуры и степени поврежденности и внести необходимые уточнения, а при необходимости провести испытания на длительную прочность по программе сокращенных испытаний.
7.6.5 Условный предел длительной прочности металла при
рабочей температуре равен сигма = К сигма .
д.п д.п э
7.6.6. Анализ всех полученных данных, в том числе по прочности и пластичности при длительном разрыве, позволяет решить вопрос о возможности снижения запаса длительной прочности.
8. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА ЖАРОПРОЧНЫХ СВОЙСТВ СТАЛИ (СПЛАВА)
8.1. Условные обозначения приняты в соответствии с разделами 1.1; 2.1 и 3.1.
8.2. Качественный контроль жаропрочных свойств поступающего на предприятия энергомашиностроения металла и металла изделий, а также приемочный контроль изготавливаемого на них оборудования производятся по ускоренному методу (см. раздел 7), план испытаний при этом должен соответствовать оценочному (см. раздел 2.11), если он не оговорен действующими техническими условиями или заводскими инструкциями.
8.3. Количественная оценка жаропрочных свойств производится на металле, предназначенном для особо ответственных изделий, или при их приемочном контроле. Этот метод применяется также при аттестационных испытаниях и оценке перспективности разработки и применения новой марки стали (сплава) по уровню ее характеристик длительной прочности.
8.3.1. Испытания металла проводятся по плану сокращенных испытаний (см. раздел 2.10), а обработка данных — по упрощенному математическому методу (см. раздел 7).
8.3.2 Строится нормативная параметрическая диаграмма
длительной прочности (рисунок 7), на которую наносятся все данные испытаний и значение условного предела длительной прочности
t
сигма . д.п,тау з
8.3.3 Длительная прочность оцениваемой партии металла или
изделий из него будет соответствовать нормативной для марки стали t (сплава), если значение сигма лежит внутри допускаемой д.п,тау з полосы разброса, оговоренной в соответствующих документах (линии 2 и 3 на рисунке 7).
8.3.4 Если длительная прочность оцениваемого металла или
изделий из него не соответствует нормативным характеристикам (см. пункт 8.3.3), то при необходимости можно определить сокращенный по сравнению с тау ресурс по формуле: з
Р
д.п
lg тау = ---- + 2 lg T - альфа, (50) з Т
где Т - расчетная температура при эксплуатации изделия, К.
8.3.5. Для некоторых марок сталей (особенно имеющих достаточно высокую пластичность) возможно увеличить остаточный ресурс за счет снижения запаса прочности.
8.3.6. Разработка и применение новой марки стали (сплава) считаются перспективными по уровню ее характеристик длительной прочности, если не менее 75% данных испытаний и рассчитанный условный предел длительной прочности лежат выше допустимой полосы разброса нормативных характеристик близкой к ней промышленно применяемой марки стали или сплава (линия 2 на рисунке 7).
9. ОЦЕНКА ЖАРОПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛА ИЗДЕЛИЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
9.1 Условные обозначения:
тау — наработка (продолжительность эксплуатации металла н изделий до его исследования), ч; э
тау — дополнительный ресурс, ожидаемое время дополнительной д эксплуатации металла изделий после тау , ч; н t
сигма — условный предел длительной прочности при э д.п,тау д э
расчетной температуре изделия t и дополнительном ресурсе тау ,
м д
МПа;
сигма — приведенное напряжение в металле при его пр дополнительной эксплуатации, МПа;
дельта — допустимое остаточное удлинение изделия при его д дополнительной эксплуатации, %;
n — допустимый коэффициент запаса по длительной прочности.
Остальные условные обозначения — согласно разделам 1.1; 2.1 и 3.1.
9.2. Определение механических свойств
9.2.1 Испытания проводятся при комнатной и повышенной температуре.
9.2.2. План испытаний принимается в соответствии с требованиями инструкции по эксплуатации и наблюдению за металлом энергооборудования.
9.2.3 Рекомендуется для испытываемого металла строить
температурную зависимость в интервале от t = 20 °С до t = t
1 1 м
(см. раздел 11).
9.3. Определение дополнительного ресурса
9.3.1. Испытания на длительную прочность проводятся по плану сокращенных испытаний (см. раздел 2.10), а данные испытаний обрабатываются упрощенным математическим методом (см. разделы 3, 5 и 7).
9.3.2 Определение значений напряжений при испытаниях (см.
разделы 2.9 и 2.10), а также условного предела длительной э прочности производится при времени тау , значение которого должно д соответствовать ожидаемому дополнительному ресурсу металла э
изделий, при этом должно быть соблюдено условие тау <= тау .
д з
9.3.3 По данным испытаний и результатам обработки строится
график длительной прочности при t = t в координатах lg тау — м
t э
lg сигма, на который наносятся значения сигма и тау
э д
д.п,тау
д
(рисунок 8).
9.3.4 По значению приведенного напряжения в металле изделия,
умноженному на коэффициент запаса n сигма , и линии графика пр э
длительной прочности определяется дополнительный ресурс тау (см. рисунок 8). д
9.3.5 Испытания считаются проведенными правильно, если на
линии, по которой определяется условный предел длительной прочности, лежат данные не менее четырех уровней напряжений, а
разрушение образцов носит межзеренный характер и при этом значение
э э
дополнительного ресурса тау <= тау (см. рисунок 8). Если
д1 д
э э
условие не соблюдено, т.е. тау > тау (см. рисунок 8), то
д1 д
проводятся дополнительные испытания при напряжениях, меньших
сигма (см. раздел 2.10) или сигма (см. раздел 2.9), при этом 6 5 э задаются значением тау , большим первоначально принятого. д
9.3.6. Рекомендуется при определении дополнительного ресурса учитывать пластические свойства испытываемого металла изделий.
9.3.6.1. Испытания на длительную прочность проводятся с измерением деформации по ГОСТ 3248-81.
9.3.6.2 Определяются по разделу 3.5 условный предел
э
остаточного удлинения дельта и по разделу 3.7 - условный предел д t э
равномерного остаточного удлинения дельта при t = t ,
к,тау м
дельта
э
сигма = n сигма и тау = тау .
пр з д1
9.3.6.3 Значение допустимого остаточного удлинения дельта
д
находится из условий:
t t t
м м м
- <a id="p100559"></a>если (дельта - дельта ) <= 0,02%, то дельта = 0,3 дельта или
э р,тау д р,тау
к,тау р р
д1
t t t
м м м
- <a id="p100560"></a>если (дельта - дельта ) > 0,02%, то дельта = 0,5 дельта .
э р,тау д р,тау
к,тау р р
д1
9.3.6.4 Значение дополнительного ресурса рассчитывается по формуле:
b - с сигма (1 + дельта )
2 -m/Т н тау = ехр(-а) Т сигма ехр[-------------------------] х п Т
дельта в
п п n
дельта (дельта + дельта )
в н в п с сигма + r п
х [интеграл -------------------------- ехр[-дельта (-----------)dдельта ] (51)
0 п m/Т в Т в
(1 + дельта + дельта )
н в
э
с определением тау по дельта , сигма = n сигма и Т = t + 273.
д д пр м
9.3.6.5. За допустимое время дальнейшей безаварийной эксплуатации детали принимается наименьшее значение, определенное по пунктам 9.3.4 и 9.3.6.4.
10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВНОГО ПРЕДЕЛА ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ РЕСУРСЕ
10.1 Условные обозначения:
тау = тау + тау - суммарный ресурс; время, большее с з д
заданного ресурса, ч; t
сигма — условный предел длительной прочности при д.п,тау с температуре изделия t и времени тау , МПа. с
Остальные условные обозначения — согласно разделам 1.1; 2.1 и 3.1.
10.2 Если для партий и марки стали (сплава) определение
t
значения условного предела длительной прочности сигма при д.п,тау з заданном ресурсе тау было произведено по настоящим Методическим з указаниям, то значение условного предела длительной прочности t
сигма для суммарного ресурса тау находится либо
д.п,тау с
с
математическим путем по формуле:
b + с сигма
1 1 m
lg тау = 0,4343 (а + -------------) + - lg сигма + 2 lg Т, (52)
с 1 Т Т
либо в параметрической форме из формулы:
_ _ -3 Р = (0,4343b - m lg сигма - 0,4343с сигма) х 10 . (53) д.п 1 1
t
10.3 Если определение значения сигма было произведено
д.п,тау
з
на основании данных произвольных испытаний, то значение t сигма находится математическим путем в соответствии с д.п,тау с разделом 5.
10.4 Точность определения условного предела длительной
t
прочности при суммарном ресурсе сигма составит +/- 6%, д.п,тау с
если тау = 2,0 тау , а наименьшее напряжение при испытаниях
с з
t
сигма < сигма или если тау = 1,5 тау , а наименьшее
min д.п,тау с з
з
t
напряжение при испытаниях сигма < сигма .
min д.п,тау
з
t
10.5. Для определения сигма с точностью +/- 3% д.п,тау с необходимо, чтобы наименьшее напряжение испытания было t
сигма < сигма . Если это условие не соблюдено, то либо
min д.п,тау
с
проводятся дополнительные испытания при напряжениях, меньших сигма или сигма (см. пункт 3.2.1.7), либо повторяются испытания 6 8
для суммарного ресурса (см. раздел 2.8). При проведении
дополнительных или повторных испытаний должны быть соблюдены требования настоящих Методических указаний по количеству партий и
планам испытаний.
11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
11.1 Условные обозначения:
сигма — предел прочности образца, МПа; в i
сигма — предел текучести образца, МПа; 0,2 i
дельта — относительное удлинение образца, %; i
пси — относительное сужение образца, %; i
л п (сигма ) , (сигма ) , (сигма ), сигма - предел прочности в в в в лабораторных, первичных, предварительно-нормативных и нормативных
характеристик, МПа;
л п (сигма ) , (сигма ) , (сигма ), сигма - предел 0,2 0,2 0,2 0,2 текучести лабораторных, первичных, предварительно-нормативных и
нормативных характеристик, МПа;
л п (дельта) , (дельта) , (дельта), дельта - относительное удлинение лабораторных, первичных, предварительно-нормативных и
нормативных характеристик, %;
л п (пси) , (пси) , (пси), пси - относительное сужение лабораторных, первичных, предварительно-нормативных и нормативных
характеристик, %;
2 2 2 2 S , S , S , S - дисперсии характеристик. сигма сигма дельта пси в 0,2
Остальные обозначения — согласно разделам 1.1 и 3.1.
11.2. Механические свойства лабораторных, первичных, предварительно-нормативных и нормативных характеристик стали (сплава) получаются путем математической обработки результатов кратковременных испытаний образцов, представляющих определенную группу партий металла. Количество образцов в партии должно соответствовать указаниям пункта 2.21, а количество партий в группе для получения определенной категории характеристик - пунктов 2.12, 2.13, 2.14 и 2.15.
11.3. Определение каждой характеристики производится по результатам испытаний образцов, помещенным в таблицу 1 (см. пункт 2.22), для каждой температуры отдельно.
11.4 Механические свойства
11.4.1 Пределы прочности и текучести, относительные удлинение
и сужение определяются как средние значения экспериментальных
данных по образцам, для них же находятся по стандартным формулам
2 2 2 2
дисперсии S , S , S , S .
сигма сигма дельта пси
в 0,2
11.4.2. Для вероятности разрушения, отличной от нормальной (р = 0,5), значения пределов прочности и текучести, относительных удлинения и сужения рассчитываются по формулам:
lg сигма = lg сигма + Z S ; (54) в в р сигма р в lg сигма = lg сигма + Z S ; (55) 0,2 0,2 р сигма р 0,2 lg дельта = lg дельта + Z S ; (56) р р дельта lg пси = lg пси + Z S . (57) р р пси
Значения коэффициента Z принимаются согласно пункту 3.3.2.6. р
11.5 Температурная зависимость
11.5.1 Производится структурная классификация жаропрочных
20
сталей и сплавов по значению сигма : 200; 250; 300; 350; 400; 0,2 450; 500; 550; 600; 650; 700; 750; 800; 850; 900; 950 и 1000 МПа — всего 17 состояний.
Каждое из этих состояний представляется полным комплексом физико-химических, механических и структурных характеристик для двух — пяти материалов.
11.5.2. Температурная зависимость пределов прочности и текучести, относительных удлинения и сужения определяется путем математической обработки всех механических испытаний. При этом число уровней температуры испытания должно быть не менее четырех (см. пункт 2.21).
11.5.3. Уравнения для определения температурных зависимостей характеристик механических свойств стали (сплава) имеют вид:
2
lg сигма = а + b t + с t ; (58) в 8 8 i 8 i
2
lg сигма = а + b t + с t ; (59) 0,2 9 9 i 9 i
2
lg дельта = а + b t + с t ; (60) 10 10 i 10 i
2
lg пси = а + b t + с t . (61) 11 11 i 11 i
11.5.4 На основе уравнений (58) - (61) для каждого отдельного
состояния устанавливаются усредненные температурные зависимости
характеристик прочности и пластичности, принимаемые далее в
качестве эталонных и обозначаемые штрихом: сигма', сигма' ,
в 0,2
сигма' и т.д.
11.5.5. Математическая обработка результатов механических испытаний производится с помощью компьютера по стандартной статистической программе Б.6 Приложения Б.
11.5.6. Необходимые для расчета данные испытаний (температура и величины механических свойств) берутся из таблицы 1 (см. пункт 2.22).
11.5.7 В результате математической обработки на компьютере
получаются значения коэффициентов уравнений (58) - (61) и
2 2 2 2
дисперсии характеристик S , S , S , S .
сигма сигма дельта пси
в 0,2
11.5.8. Если значения дисперсий, полученных по пункту 11.5.7, превышают 10% начального разброса, то математическая обработка результатов испытаний производится на компьютере по статистической программе, упомянутой в пункте 11.5.5 на основе уравнений:
2 3 lg сигма = а + b t + с t + d t ; (62) в 12 12 i 12 i 1 2 3 lg сигма = а + b t + с t + d t ; (63) 0,2 13 13 i 13 i 2 2 3 lg дельта = а + b t + с t + d t ; (64) 14 14 i 14 i 3 2 3 lg пси = а + b t + с t + d t . (65) 15 15 i 15 i 4
11.5.9. Значения пределов прочности и текучести, а также относительных удлинения и сужения для вероятности р = 0,5 при температуре t определяются по уравнениям (58) - (61) или (62) - (65) с использованием значений коэффициентов, полученных по пунктам 11.5.7 или 11.5.8.
11.5.10. Для значений вероятности разрушения, отличной от р = 0,5, значения характеристик механических свойств стали (сплава) при температуре t определяются по формулам (54) - (57).
11.5.11. Точность определения пределов прочности и текучести по данному методу в диапазоне температур испытаний составляет +/- 3%.
11.5.12 Для материалов после наработки устанавливаются приведенные характеристики прочности и пластичности:
сигма сигма
_____ в _____ 0,2 __ НВ
сигма = ------; сигма = --------; НВ = ---;
в сигма' 0,2 сигма' НВ'
в 0,2
______ дельта ___ пси _____ альфа
дельта = -------; пси = ----; альфа = ------.
дельта' пси' альфа'
Здесь альфа — ударная вязкость, а значок ' означает, что берется усредненное или базовое кратковременное значение характеристики.
11.5.13 Оценка результатов наработки производится по формуле:
______ ___ _____
_____ _____ а дельта + b пси + с альфа
Н = сигма S = сигма --------------------------. (66)
в в 3
Показателем результатов наработки является степень различия
сигма и Н. В первом приближении коэффициенты а, b и с можно в принять равными 1.
(справочное)
Если рассматривать ползучесть как термически активируемый процесс, то для него уравнение состояния представляется в виде произведения экспоненты и тау экспоненциального множителя типа:
U(сигма, Т)
В = f(сигма, Т) ехр[- -----------], (А.1) R Т
где:
В - какой-либо исследуемый параметр металла (например, тау ,
к
тау , дельта , пси , дельта ); дельта к к р
с
сигма - напряжение, МПа;
Т - температура, К;
U - эффективная энергия активации процесса ползучести;
R - газовая постоянная.
Этот вид обосновывается с точки зрения как термомеханики, так и физики твердого тела.
Уточняются закономерности изучаемого явления, показывается, что выражения для f и U можно конкретизировать и от уравнения (А.1) перейти к зависимости:
k
n r b + с сигма В = альфа Т сигма ехр(------------ + d сигма), (А.2)
Т
где:
а, b, с, d - расчетные коэффициенты;
r = f (Т);
1
n и k - дискретно меняющиеся коэффициенты.
m
Если в формуле (А.2) положить k = 1, d = 0, r = — (здесь m — Т пошагово меняющаяся константа), то получается выражение:
n m/Т b + с сигма В = альфа Т сигма ехр(-----------), (А.3)
Т
на котором базируются многие изложенные в настоящих Методических указаниях методы расчета и прогнозирования жаропрочных свойств.
Так, уравнения основной части настоящих Методических указаний (1), (3), (5), (6), (11), (13), (14), (19), (22), (23), (25) - (27), (45) следуют из формулы (А.3) после логарифмирования, уравнения (31), (44), (47) являются логарифмическими от небольших модификаций формулы (А.3). При этом некоторые расчетные коэффициенты могут фиксироваться.
Зависимость формулы (48) выводится из выражения (А.2) при n = 0, k = 2, r = 2.
ПЕРЕЧЕНЬ
И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
Б.1. КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ПО РАСЧЕТУ ОСНОВНЫХ УРАВНЕНИЙ ЖАРОПРОЧНОСТИ
Б.1.1. Построение первичных кривых ползучести
Эта программа экстраполирует кривую деформации экспоненциальной зависимостью от времени (без учета стадии разрушения), рассчитывает ряд характеристик кривой при неизменных
Т, сигма и дельта (таблица Б.1). н
Б.1.2. Построение первичных кривых ползучести на основе уравнения Лакомба
Эта программа в отличие от программы Б.1.1 экстраполирует
кривую деформации на всех стадиях с помощью модифицированного уравнения Лакомба, рассчитывает коэффициенты уравнения, суммарное удлинение во время испытаний, основную и остаточную дисперсию, комплекс величин, характеризующих деформационный процесс при
неизменных Т, сигма и дельта (см. таблицу Б.1). н
| Марка стали (сплава) | Индекс партии | ||||||||
| Клеймо образца | Температура | Напряжение | Результаты испытаний | ||||||
| t, °С | сигма, МПа | Суммарное удлинение при нагружении с дельта , % н | Упругое удлинение при нагружении у дельта , % н | Остаточное удлинение при нагружении дельта , % н | Суммарное удлинение во время испытания с дельта , % в | Время измерения удлинения тау , ч в | Время до разрушения тау , ч к | ||
Б.1.3. Определение характеристик жаропрочности
Находится предел длительной прочности в зависимости от температуры и нагрузки. Вычисляются коэффициенты уравнения, связывающие эти величины, и проводятся по нему расчеты для пределов прочности, ползучести, остаточного удлинения, остаточного сужения, равномерного остаточного удлинения (см. разделы 3.3 - 3.8 настоящих Методических указаний).
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.1.4. Расчет уравнения состояния
Программа определяет скорость накопления деформации как функцию температуры, номинального напряжения, остаточного удлинения для двух видов испытаний — с постоянным напряжением или постоянной нагрузкой, находит коэффициенты уравнения (31), связывающего эти величины (см. раздел 3.9 настоящих Методических указаний), по нему проводятся расчеты.
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.1.5. Построение изохронных кривых ползучести и расчет релаксационной стойкости
Программа ведет для заданного режима испытаний расчет времени, за которое накопится заданная деформация по трем формулам (32) - (34) для испытаний с постоянной нагрузкой, с постоянным напряжением, на релаксационную стойкость, коэффициенты в которых определены программой Б.1.4 (см. разделы 3.9 и 3.10 настоящих Методических указаний).
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.1.6. Расчет основных характеристик жаропрочности в параметрическом виде
Программа определяет эти характеристики с помощью введения промежуточных величин (параметров). Результаты используются также для построения параметрических диаграмм, дающих возможность по требуемым ресурсу и температуре вычислять значение искомой характеристики (предела длительной прочности, предела ползучести, предела остаточного удлинения, предела остаточного сужения, предела равномерного остаточного удлинения, времени равномерного удлинения). Соответствующие уравнения приведены в разделах 3.3 - 3.8 настоящих Методических указаний.
Примеры вида уравнений, построения параметрических кривых и нахождения по ним характеристик даны в Приложении В.
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.2. РАСЧЕТ ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ЖАРОПРОЧНОСТИ
Определяются не только основные характеристики жаропрочности в обычном и параметрическом виде (аналогично программам Б.1.3 и Б.1.6), но и доверительные интервалы для их значений, что дает возможность оценивать предел длительной прочности и остаточный ресурс металла с вероятностной точки зрения. Соответствующие уравнения приведены в разделах 3.3 - 3.8 настоящих Методических указаний.
Данные берутся из таблиц 1 и 2 настоящих Методических указаний (см. пункты 2.22 и 3.3.2.6).
Б.3. РАСЧЕТ СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МАТЕРИАЛА И ЕГО ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
По взаимосвязи между деформацией ползучести и повреждаемостью определяется время достижения более ранних стадий процесса разрушения. Вводятся различные виды зависимости деформации от напряжения и степени поврежденности металла. Соответствующие уравнения приведены в разделе 6 настоящих Методических указаний.
Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖАРОПРОЧНЫХ СВОЙСТВ ХРОМОМОЛИБДЕНОВАНАДИЕВЫХ СТАЛЕЙ
Б.4.1. Прогнозирование длительной прочности
Реализуется слегка усложненная по сравнению с программой Б.1.3 (квадратичная) зависимость характеристик длительной прочности от температуры и нагрузки, при этом часть коэффициентов зафиксирована — см. уравнение (48) настоящих Методических указаний. Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22).
Б.4.2. Экспрессный метод
На основе уравнения (48) настоящих Методических указаний вводится зависимость (50) для расчета времени до разрушения металла в условиях эксплуатации по результатам ускоренных испытаний. В программе используются данные таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22). Кроме того, в нее должны быть введены либо эксплуатационное напряжение, либо сведения для его расчета — см. формулу (49) настоящих Методических указаний.
Б.5. РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛА С УЧЕТОМ ВИДА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
С помощью критерия прочности материала определяется уравнение для эквивалентного напряжения при различных типах напряженного состояния. Введение этого напряжения в выражение для долговечности металла позволяет найти температурно-временную зависимость конструктивной длительной прочности жаропрочных материалов (см. раздел 4 настоящих Методических указаний). Данные берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22). Кроме того, должны быть введены различного вида напряжения.
Б.6. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Программа дает возможность рассчитывать произвольные (линейные и нелинейные) регрессионные модели, по коэффициентам корреляции и остаточным дисперсиям оценивать влияние каждого фактора на изучаемую характеристику, находить соответствующие доверительные интервалы.
Сведения берутся из таблицы 1 настоящих Методических указаний (см. п. 2.22).
В.1. Условные обозначения приняты согласно разделам 1.1; 2.1; 3.1; 5.1; 9.1 и 10.1 настоящих Методических указаний.
В.2. Результаты испытаний стали (сплава) на жаропрочность с измерением деформации образца по ГОСТ 3248-81 представлены в таблице 1 настоящих Методических указаний (см. пункт 2.22) и таблице Б.1 Приложения Б, которые содержат все необходимые данные для расчетов характеристик жаропрочности.
В.3. Значения коэффициентов в формулах для определения условного предела длительной прочности (3), условного предела ползучести (11), условного предела удлинения (19), условного предела сужения (22), условного предела равномерного остаточного удлинения (25), ресурса равномерного остаточного удлинения и дисперсии соответствующих характеристик, определенные с помощью компьютера по программам Приложения Б для лабораторных и нормативных характеристик, а также для предварительных нормативных характеристик крупных изделий индивидуального производства, помещаются в таблицу В.1.
| Марка стали (сплава) | Количество партий | ||||||
| Расчетная температура, °С | Приведенное напряжение, МПа | ||||||
| Характеристика | Обозначение | Коэффициенты | Дисперсия 2 S | ||||
| а | в | с | |||||
| Условный предел длительной прочности | t сигма д.п,тау з | ||||||
| Условный предел ползучести | t сигма п-дельта ,тау з з | ||||||
| Условный предел остаточного удлинения | t дельта к,тау з | ||||||
| Условный предел остаточного сужения | t пси к,тау з | ||||||
| Условный предел равномерного остаточного удлинения | t дельта р,тау р | ||||||
| Условный предел равномерного остаточного сужения | t пси р,тау р | ||||||
В.4. Значения коэффициентов в формулах жаропрочности записываются с точностью до знака: а = +/- 0,01; b = +/- 10; i i с = +/- 0,2; n = +/- 0,005; r = +/- 200.
i
В.5. Расчетные формулы (3), (11), (19), (22), (25), (26) и уравнение состояния (31) записываются в следующем виде (пример записи): - для условного предела прочности -1 lg тау = -27,33 + 2 lg T — (2400 lg сигма — 24700 + 208,0 сигма) х T ; к
- <a id="p100698"></a>для условного предела ползучести
-1
lg = -23,40 + 2 lg T — (2400 lg сигма — 20750 + 228,0 сигма) х Т ; дельта с
- <a id="p100699"></a>для условного предела остаточного удлинения
-1
lg дельта = +3,04 — (800 lg сигма — 1090 + 65,0 сигма) х Т ; к
- <a id="p100700"></a>для условного предела остаточного сужения
-1
lg пси = +4,01 — (800 lg сигма + 2080 — 99,2 сигма) х Т ; к
- <a id="p100701"></a>для условного предела остаточного равномерного удлинения
-1
lg дельта = +3,28 — (800 lg сигма — 1540 + 70,2 сигма) х Т ; р
- <a id="p100702"></a>для времени равномерного удлинения
-1
lg тау = -27,06 + 2 lg Т — (2400 lg сигма — 24420 + 208,0 сигма) х Т ; р
- <a id="p100703"></a>для уравнения состояния
. п
lg дельта = +23,28 - 2 lg Т + (2400 lg сигма - 22550 + 57,0 сигма -
в 0 0
п -1 п
- 14800 дельта ) х Т — 0,185 lg(дельта + дельта ).
в н в В.6. Значения лабораторных и нормативных характеристик, а также предварительных нормативных характеристик крупных изделий индивидуального производства, определенные по настоящим
Методическим указаниям в соответствии с пунктом 1.13, заносятся в таблицу В.2. Значения характеристик жаропрочности определяются для
диапазона температур от t до t через 10 °С. Для соблюдения
min max
условий пункта 1.2.18 Методических указаний линии длительной
прочности, соответствующие уровням температур t и t на
min max
графике в координатах lg дельта - lg тау должны находиться в
д.п
области, ограниченной наибольшим и наименьшим значениями напряжений при испытаниях и ординатой тау . з
| Марка стали (сплава) | Количество партий | ||||||||||||||||
| Категория характеристик | |||||||||||||||||
| Характеристика | Обозначение | Температура, °С | |||||||||||||||
| 20 | t — 70 м | t — 60 м | t — 50 м | t — 40 м | t — 30 м | t — 20 м | t — 10 м | t м | t + 10 м | t + 20 м | |||||||
| Предел прочности | сигма в | ||||||||||||||||
| Предел текучести | сигма 0,2 | ||||||||||||||||
| Остаточное удлинение | дельта | ||||||||||||||||
| Остаточное сужение | пси | ||||||||||||||||
| Условный предел длительной прочности при 0,01 тау з | t сигма д.п,0,01тау з | ||||||||||||||||
| Условный предел длительной прочности при 0,1 тау з | t сигма д.п,0,1тау з | ||||||||||||||||
| Условный предел длительной прочности при 0,5 тау з | t сигма д.п,0,5тау з | ||||||||||||||||
| Условный предел длительной прочности при 1,0 тау з | t сигма д.п,тау з | ||||||||||||||||
| Условный предел ползучести при дельта = 0,5% з | t сигма п-0,5,тау з | ||||||||||||||||
| Условный предел ползучести при дельта = 1,0% з | t сигма п-1,0,тау з | ||||||||||||||||
| Условный предел ползучести при дельта = 2,0% з | t сигма п-2,0,тау з | ||||||||||||||||
| Релаксационная стойкость | t сигма рк,тау з | ||||||||||||||||
| Условный предел остаточного удлинения | t дельта к,тау з | ||||||||||||||||
| Условный предел остаточного сужения | t пси к,тау з | ||||||||||||||||
| Условный предел равномерного остаточного удлинения | t дельта р,тау р | ||||||||||||||||
| Условный предел остаточного удлинения сужения | t пси р,тау р | ||||||||||||||||
| Ресурс равномерного остаточного удлинения | ф дельта р,t,тау р | ||||||||||||||||
В.7. Результаты определения жаропрочных свойств металла изделий при эксплуатации помещаются в таблицу В.3.
| Объект | Изделие | |||||
| Марка стали (сплава) | Наработка, ч | |||||
| Расчетная температура, °С | Приведенное напряжение, МПа | |||||
| Характеристика | Обозначение | Температура | ||||
| Предел прочности | сигма в | t 1 | t м | t 2 | ||
| Предел текучести | сигма 0,2 | |||||
| Относительное удлинение | дельта | |||||
| Относительное сужение | пси | |||||
| Условный предел длительной прочности | t сигма э д.п,тау д 1 | |||||
| Дополнительный ресурс (по сигма ) д.п | э тау д 1 | |||||
| Условный предел относительного удлинения | t дельта э д.п,тау д 2 | |||||
| Время равномерной деформации | тау р | |||||
| Условный предел равномерного остаточного удлинения | t дельта р,тау р | |||||
| Допустимое остаточное удлинение | дельта д | |||||
| Дополнительный ресурс (по дельта ) д | э тау д 2 | |||||
| Принимаемый дополнительный ресурс | э тау д | |||||
В.8. Характеристики жаропрочности стали (сплава) любой категории могут быть представлены в виде графиков.
В.9. Обобщенная параметрическая диаграмма жаропрочности
В.9.1. Результаты всех испытаний на жаропрочность, проведенных по планам и обработанных в соответствии с разделом 3 настоящих Методических указаний, рекомендуется представлять в виде параметрической диаграммы в координатах Р — lg дельта (рисунок В.1). По обобщенной диаграмме можно определять условные пределы длительной прочности, ползучести и характеристик длительной пластичности.
В.9.2. Построение параметрических кривых основано на формулах (3), (11), (19), (22), (25) и (26) настоящих Методических указаний. Эти формулы можно записать в параметрическом виде: - для условных пределов длительной прочности
-3
Р = [0,4343 (b + с сигма) - m lg сигма] х 10 , (В.1) д.п 1 1
где коэффициенты b и с принимаются согласно пункту 3.3.1.2, 1 1 а m — согласно пункту 3.3.1 настоящих Методических указаний; - для условных пределов ползучести
-3
Р = [0,4343 (b + с сигма) - m lg сигма] х 10 , (В.2) п 2 2
где коэффициенты b и с принимаются согласно пункту 3.4.1.2, 2 2 а m — согласно пункту 3.3.1 настоящих Методических указаний; - для условных пределов остаточного удлинения
-3
Р = [0,4343 (b + с сигма) - m lg сигма] х 10 , (В.3) у 3 3
где коэффициенты b и с принимаются согласно пункту 3.5.3, а 3 3 m — согласно пункту 3.5.1 настоящих Методических указаний; - для условных пределов остаточного сужения
-3
Р = [0,4343 (b + с сигма) - m lg сигма] х 10 , (В.4) с 4 4
где коэффициенты b и с принимаются согласно пункту 3.6.3, а 4 4 m — согласно пункту 3.5.1 настоящих Методических указаний; - для условных пределов равномерного остаточного удлинения
-3
Р = [0,4343 (b + с сигма) - m lg сигма] х 10 , (В.5) р.у 5 5
где коэффициенты b и с принимаются согласно пункту 3.7.3, а 5 5 m — согласно пункту 3.5.1 настоящих Методических указаний; - для условных пределов равномерной деформации
-3
Р = [0,4343 (b + с сигма) - m lg сигма] х 10 , (В.6) тау 6 6
р
где коэффициенты b и с принимаются согласно пункту 3.7.6, а 6 6 m — согласно пункту 3.3.1 настоящих Методических указаний.
В.9.2.1. По формуле (В.1) рассчитывается значение параметра длительной прочности: задается ряд значений номинальных напряжений, определяются значения параметра Р и по этим данным
д.п
строится параметрическая кривая (В на рисунке В.1).
В.9.2.2. По формуле (В.2) рассчитываются значения параметра
ползучести Р для заданного значения остаточного удлинения дельта
п з
и строится параметрическая кривая ползучести (Г на рисунке В.1).
В.9.2.3. По формуле (В.3) рассчитываются значения параметра остаточного удлинения Р и строится параметрическая кривая у остаточного удлинения (Д на рисунке В.1).
В.9.2.4. По формуле (В.4) рассчитываются значения параметра Р с и строится параметрическая кривая остаточного сужения (Е на рисунке В.1).
В.9.2.5. По формуле (В.5) рассчитываются значения параметра Р и строится параметрическая кривая равномерного остаточного р.у удлинения (А на рисунке В.1).
В.9.2.6. По зависимости параметра времени равномерной деформации Р от напряжения, которая получается из формулы
тау
р
(В.6), рассчитываются значения параметра и строится параметрическая кривая времени равномерной деформации (Б на рисунке В.1).
В.9.3. В верхней половине обобщенной параметрической диаграммы помещаются температурно-временные или температурно-деформационные номограммы, отражающие зависимость параметра от логарифма времени или логарифма деформационной характеристики при заданной температуре.
Для подсчета значений параметра при построении номограмм используются формулы: - для условных пределов длительной прочности
-3
Р = Т (lg тау - 2 lg Т - 0,4343а ) х 10 , (В.7) д.п 1
где коэффициент а принимается согласно пункту 3.3.1.2 1 настоящих Методических указаний; - для условных пределов ползучести
-3
Р = Т (lg тау - 2 lg Т - 0,4343а ) х 10 , (В.8) п 2
где коэффициент а принимается согласно пункту 3.4.1.2 2 настоящих Методических указаний; - для условных пределов остаточного удлинения
-3
Р = Т (lg дельта - 0,4343а ) х 10 , (В.9) у 3
где коэффициент а принимается согласно пункту 3.5.3 настоящих 3 Методических указаний; - для условных пределов остаточного сужения
-3
Р = Т (lg пси - 0,4343а ) х 10 , (В.10) с 4
где коэффициент а принимается согласно пункту 3.6.3 настоящих 4 Методических указаний; - для условных пределов равномерного остаточного удлинения
-3
Р = Т (lg дельта - 2 lg Т - 0,4343а ) х 10 , (В.11) р.у 5
где коэффициент а принимается согласно пункту 3.7.1 настоящих 5 Методических указаний; - для времени равномерного удлинения
-3
Р = Т (lg дельта - 2 lg Т - 0,4343а ) х 10 , (В.12) тау 6
р
где коэффициент а принимается согласно пункту 3.7.6 настоящих 6 Методических указаний.
В.9.3.1. По формуле (В.7) для выбранного ряда значений времени
и заданных уровней температуры рассчитываются значения параметра Р и в координатах Р - lg тау строятся линии номограммы (В на д.п д.п
рисунке В.1).
В.9.3.2. По формуле (В.8) для выбранного ряда значений времени
и заданных уровней температуры рассчитываются значения параметра Р и в координатах Р - lg тау строятся линии номограммы (Г на п п
рисунке В.1).
В.9.3.3. По зависимости параметра остаточного удлинения Р от у температуры и удлинения, которая получается из формулы (В.9),
рассчитываются значения параметра для выбранного ряда значений удлинения и заданных уровней температуры и в координатах Р -
у
lg дельта строятся линии номограммы (Д на рисунке В.1).
В.9.3.4. По зависимости параметра остаточного сужения Р от с температуры и сужения, которая получается из формулы (В.10),
рассчитываются значения параметра для выбранного ряда значений сужения и заданных уровней температуры и в координатах Р - lg пси
с
строятся линии номограммы (Е на рисунке В.1).
В.9.3.5. По зависимости параметра остаточного равномерного удлинения Р от температуры и удлинения, которая получается из
р.у
формулы (В.11), рассчитываются значения параметра для выбранного
ряда значений удлинения и заданных уровней температуры и в координатах Р - lg дельта строятся линии номограммы (А на
р.у
рисунке В.1).
В.9.3.6. По зависимости параметра времени равномерного удлинения Р от температуры и времени, которая получается из
тау
р
формулы (В.12), рассчитывается значение параметра для выбранного
ряда значений времени и заданных уровней температуры и в координатах Р - lg тау строятся линии номограммы (Б на рисунке
тау
р
В.1).
В.9.4. Характеристики прочности и пластичности определяются по обобщенной параметрической диаграмме следующим образом.
В.9.4.1. Условный предел длительной прочности определяется по диаграмме В (на рисунке В.1). По значению заданного ресурса тау
з
проводится горизонталь 1-3 до пересечения с линией номограммы, соответствующей заданной температуре t . От точки 3 проводится
1
вертикаль 3-5 до пересечения с линией диаграммы длительной прочности. Ордината точки 5 будет являться искомым значением
условного предела длительной прочности.
В.9.4.2. Проводится горизонталь 1-3-4 по линии параметрической диаграммы Г аналогично пункту В.9.4.1 и находится условный предел ползучести (линия 4-6-7).
В.9.4.3. По горизонтали 15-5-8-9 определяются условные пределы остаточного удлинения (линия 5-8-10-11), остаточного сужения (линия 5-8-9-12-13) и равномерного остаточного удлинения (линия 5-15-16-17).
В.9.4.4. По линии 24-25-26 диаграммы Г можно определить значение времени, за которое относительное удлинение достигает значения тау при температуре t и напряжении, равном условному з 1
пределу длительной прочности.
В.9.4.5. Ордината точки 18 на диаграмме Б соответствует значению напряжения, при котором в течение всего заданного ресурса тау будет иметь место равномерное удлинение, значение которого з при тау определяется линией 18-19-20-21. з
В.9.4.6. С помощью обобщенной параметрической диаграммы можно получать данные для построения первичных и изохронных кривых ползучести для заданной температуры.
Строится серия параметрических кривых (типа Г на рисунке В.1) для разных значений дельта . Сечением этих кривых горизонтальной
з
прямой, аналогичной прямой 5-24-8, получаются данные для построения первичных кривых ползучести при сигма = const. Сечением
этих кривых вертикальной прямой, аналогичной прямой 4-6,
получаются данные для построения изохронных кривых при тау =
const.
БАНК ДАННЫХ ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ МАТЕРИАЛАМ
Г.1. Банк содержит данные примерно по 2 тыс. отечественных и 21 тыс. иностранных марок машиностроительных материалов, в него занесены стали различного класса (конструкционные, инструментальные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, для отливок, специальные), более 100 видов чугунов, 400 сплавов, в первую очередь применяющихся в энергетике, металлургии, транспорте, тяжелом машиностроении. Он включает сведения о химических, физических, механических и эксплуатационных свойствах материалов, фирмах-производителях и поставщиках продукции, видах поставки, аналогах, технологических характеристиках, всего более чем по 300 параметрам.
Г.2. Информационный банк данных постоянно актуализируется, непрерывно пополняясь и модифицируясь. При сопровождении банка частота его модификации определяется заказчиком.
Г.3. Банк открыт для пользователя, который может самостоятельно пополнять или корректировать его, максимально приспосабливая к собственным запросам.
Г.4. В системе реализованы прямые запросы (поиск свойств какого-либо материала) и обратные запросы (выбор материалов, удовлетворяющих условиям, наложенным на их характеристики). Число условий практически не ограничено.
Г.5. Система позволяет компактно распечатывать на принтере любую необходимую информацию, осуществляет ее копирование, обеспечивает защиту и безопасность данных.
Г.6. Система является диалоговой и, несмотря на достаточно сложную структуру, чрезвычайно проста в работе. Пользоваться банком и модифицировать его можно научиться за несколько часов.
Г.7. Все данные банка сопровождаются указанием на источник информации. Использовано свыше 800 таких источников от государственных и отраслевых стандартов до литературных данных и рекомендаций.
Г.8. Банк данных можно использовать на любых типах современных персональных компьютеров. Система поставляется в режиме OFF-LINE на дискетах и может быть установлена и задействована на ПЭВМ заказчика.
Г.9. Объем системы порядка 45 Мбайт. Она уже успешно используется на энергетических, металлургических и машиностроительных предприятиях, в отраслевых НИИ.