Меню

  • На главную

Поиск

  • Влияние температуры на прочность твердых тел ч.1

    Posted 8/2/2009 в 7:16:59 ПП

    При исследовании прочности и разрушения металлов и полимеров исключительно важными являются вопросы термопрочности, заключающиеся в изучении прочности материалов и конструкционных элементов под действием различного рода силовых и тепловых нагрузок в широких диапазонах изменения температуры. Особенно большую актуальность эти вопросы приобретают в связи с развитием таких отраслей современного машиностроения, как реакторостроение, двигателестроение, ракетная техника, и многих других. Наметившаяся тенденция повышения рабочих температур различных агрегатов и установок требует не только точного определения распределения и интенсивности температурных напряжений и деформаций, но и исследования их влияния на кратковременную и длительную прочность, термическую усталость, термическое выпучивание и другие явления.
    С другой стороны, представляют интерес критерии прочности при сравнительно низких температурах. Развитие космических исследований, вопросы химической технологии, использование металлических конструкций в условиях Дальнего Севера и пр. приводят к необходимости изучения закономерностей явления хладноломкости.
    В нашей стране проведены широкие теоретические и экспериментальные исследования различных общих и частных проблем термоупругости и термопрочности (В. В. Болотин, И. И. Гольденблат, Э. И. Григолюк, В. И. Даниловская, А. А. Ильюшин, А. Д. Коваленко, Г. С. Писаренко,. Ю. II. Работнов, С. В. Серенсен, В. Н. Феодосьев, Я. Б. Фридман и др.). В этом параграфе будут рассмотрены только вопросы термопрочности и разрушения при высоких и низких температурах; вопросы же анализа термоупругих и термопластических деформаций и напряжений до разрушения здесь не освещаются. Исследование прочности при высоких и низких температурах охватывает большой круг вопросов экспериментального и теоретического характера. Экспериментальные исследования прежде всего связаны с получением основных характеристик прочности и дефор-мативности различных материалов (в первую очередь жаропрочных) в зависимости от температуры как при кратковременных, так и при длительных нагрузках. К этому же циклу исследований нужно отнести экспериментальное определение упругих постоянных материала при высоких и низких температурах.
    За последнее время накоплен значительный объем данных о свойствах твердых тел и полимеров при повышенных температурах и различных нагрузках. Изучению механических и термических свойств твердых тел и полимеров при различных температурах посвящено огромное количество интересных и важных работ. Систематические исследования в этом направлении проводились Н. Н. Давиденковым, Б. А. Дроздовским, И. А. Одингом, Г. С. Писаренко, С. В. Серенсеном, Я. Б. Фридманом и их учениками.
    В работах Г. С. Писаренко и его сотрудников разрабатывались вопросы, связанные с методикой и средствами определения различных характеристик материалов при высоких и низких температурах (1958 и сл.). Выяснению сложных закономерностей механической и термической прочности в широком диапазоне режимов нагружения и нагрева посвящены работы И. А. Одинга (1945—1962), С. В. Серенсена (1950 и сл.), Я. Б. Фридмана (1952—1962) и их сотрудников.
    Накопленный объем данных о свойствах различных материалов при повышенных и пониженных температурах облегчает задачу определения допускаемых напряжений при расчетах конструкций на прочность по напряжениям, вызванным внешней нагрузкой и температурой. Правильный выбор допускаемых напряжений является исключительно важной задачей, так как от этого зависит не только прочность конструкции, но и ее экономичность и легкость. Отметим, что почти все методы расчета допускаемых напряжений при высоких и низких температурах носят весьма приближенный характер, так как материал со временем «устает», «стареет» и находится под действием ряда трудно или совершенно неучитываемых условий, не вводимых в расчеты. Поэтому выбор допускаемых напряжений производится в основном на основании эмпирических или статистических данных. Построенные методы расчета позволяют определить как кратковременные допускаемые напряжения при равномерной и неравномерной температуре, так и допускаемые напряжения при длительном воздействии нагрузки при повышенных температурах.
    В последнее время большое внимание привлекают также исследования вопросов усталости и несовершенной упругости материалов при нормальных и высоких температурах.
    С. В. Серенсен и Л. А. Козлов (1958, 1965) при исследовании усталости сплавов при повышенных температурах применили статистический подход, который позволяет оценивать надежность и запасы прочности деталей, работающих при повышенной температуре. Аналогичные исследования для металлокерамических материалов были проведены Г. С. Писаренко и др. (1962).
    Особое внимание следует обратить на явление так называемой температурной (тепловой или термической) усталости, сущность которого состоит в возникновении и развитии микротрещин в результате повторного действия температурных напряжений, обусловленного циклическим изменением температуры. В этом случае разрушение протекает в условиях, сходственных с малоцикловым разрушением при повышенных температурах, протекающим, однако, неизотермически, в связи с чем на разрушение оказывают влияние термоструктурные напряжения.
    Проблема термоусталости особенно в таких областях, как энергетика (повторные пуски агрегатов, варьирование их мощности), самолетостроение (повторный кинетический нагрев), двигателестроение  и т. д., когда в элементах конструкций возникают значительные температурные напряжения.
    Еще в 1919 г. Д. К. Чернов подметил основные особенности термической усталости. Он подчеркнул, что причиной образования сетки трещин на стенках канала артиллерийских орудий и на поверхности прокатных вальцов является знакопеременная пластическая деформация, возникающая при повторных нагревах и охлаждениях.
    До пятидесятых годов изучение сопротивления конструкционных металлов термоусталостному разрушению проводилось с целью качественного сопоставления поведения материалов при циклически меняющихся температурах. В этих исследованиях использовались образцы различной формы и размеров, в которых для «ужесточения» условий испытания создавались надрезы в виде отверстий и выточек. Нагрев образцов осуществлялся различным образом (в печах электросопротивления, токами высокой частоты, в потоках продуктов сгорания или нагретого воздуха, газовой горелкой, внесением в расплав), а охлаждение — погружением в жидкость или на воздухе.
    В указанных исследованиях для заданного термического режима определялись число циклов до появления трещин, изменение формы и размеров образцов, а иногда и кинетика развития трещин без анализа напряженного и деформированного состояния, возникающего при нагреве и охлаждении образцов. Например, в работе Л. А. Гликмана (1937) при определении числа циклов до разрушения в целых призматических образцах и с продольными канавками было установлено, что трещины появляются быстрее в образцах с надрезами.
    В. И. Залесский и Д. М. Корнеев (1954) провели исследование разга-ростойкости цилиндрических образцов из различных сталей, нагреваемых в свинцовой ванне и охлаждаемых в проточной воде. Было установлено более раннее образование трещин при наличии структурных превращений в менее «плотной» стали и при менее тщательной обработке поверхности.
    М. В. Приданцев и А. Р. Крылова (1958), испытывая листовые образцы с отверстиями при нагреве газовой горелкой и охлаждении на воздухе, показали снижение термостойкости с увеличением толщины листа, а М. Я. Львовским и И. А. Смияном (1958) была разработана методика для оценки сопротивления листовых материалов действию теплосмен.
    Как уже отмечалось, результаты этих исследований использовались в основном для сравнительной оценки сопротивления термической усталости различных материалов. В то же время они не могут применяться для оценки несущей способности элементов конструкций и сооружений, напряженное и деформированное состояние в опасных зонах которых существенно зависит от размеров и форм изделий, а также условий теплопередачи.