Меню

  • На главную

Поиск

  • Влияние температуры на прочность твердых тел ч.3

    Posted 1/15/2010 в 7:25:10 ПП

    Большое число работ посвящено изучению «повреждаемости» материала в результате термоусталостного нагружения. Отмечается существенное изменение (снижение) сопротивления материала деформированию и разрушению при последующем однократном статическом нагружений (Я. Б. Фридман и В. И. Егоров, 1960).
    Н. Д. Соболевым и Е. Н. Пироговым (1967) исследовались закономерности накопления повреждений при нестационарных режимах с разделением процесса нагружения на две стадии, одна из которых связана со временем до образования макротрещины, а вторая — с развитием этой трещины. Было установлено, что при одной и той же вероятности разрушения на первой стадии переход с более высокого уровня нагрузок на меньший уровень дает большее повреждение, чем это следует из линейного закона суммирования повреждений, и, наоборот, меньшее — при обратном порядке нагружения. Накопление повреждений на второй стадии описывается линейным законом, и скорость развития трещины в данный момент не зависит от предыстории нагружения. Вопросы суммирования повреждений изучались В. М. Филатовым (1967), показавшим в условиях своих опытов применимость линейного суммирования по относительному числу циклов.
    В настоящее время важным вопросом является возможность сопоставления различных материалов по их термостойкости с учетом влияния комплекса изменения физических и механических свойств.
    Г. Н. Третьяченко (1964) получил выражение, определяющее минимальное значение перепада температур для граничных условий теплообмена, при котором на поверхности цилиндра возникают пластические деформации, ответственные за термоусталостное разрушение. Этот перепад температур является функцией предела текучести, коэффициента Пуассона, модуля упругости и величины, зависящей от критерия Био. В работе В. И. Егорова и Н. Д. Соболева (1963) для одноосного напряженного состояния дается, с одной стороны, относительная оценка материалов по их долговечности при одних и тех же величинах деформаций и напряжений в фиксированном интервале температур, а с другой стороны, сопоставление проводится для одних и тех же граничных условий, когда деформация при фиксированном перепаде температур зависит от коэффициента линейного расширения.
    Одним из способов оценки термостойкости деталей является испытание их в условиях, моделирующих натурные. В этом направлении Г. Н. Третьяченко, Р. Н. Куриат и Л. В. Кравчук (1963, 1964) провели испытания реальных сопловых лопаток газовых турбин с моделированием температуры потока и граничных условий теплообмена на газодинамическом стенде.С целью повышения сопротивления термической усталости используются различные методы, в том числе применяемые для повышения механической прочности (улучшение качества поверхности, уменьшение концентрации напряжений и т. д.), а также и специфические методы, используемые для выравнивания температурного поля (теплопроводные покрытия и т. д.).
    Отметим еще один аспект прямого воздействия температуры на прочность металлов и полимеров. В некоторых случаях детали и элементы конструкций и сооружений подвергаются воздействию температурных напряжений, возникающих в весьма короткий промежуток времени (почти мгновенно) в результате быстрого изменения температуры. Такое нагружение, называемое температурным (тепловым или термическим) ударом, вызывает динамические термические напряжения и приводит к хрупкому разрушению материала.
    Наибольшую опасность температурный удар представляет для материалов в хрупком состоянии. В пластическом состоянии тепловой удар обычно безопасен, так как напряжения не могут значительно превзойти предел текучести и уменьшаются со временем.
    Как известно, напряженное и деформированное состояние тела, вызванное термическим ударом, может быть определено в ряде случаев путем совместного решения уравнений теплопроводности и термоупругости.
    Для сверхбыстрых тепловых процессов (взрыв, тепловые системы с большими тепловыми потоками) правильную картину распространения термоупругих напряжений дает решение динамических задач термоупругости с учетом инерционных членов, в то время как поля температурных напряжений при более медленных тепловых воздействиях довольно точно определяются из решения квазистатических задач термоупругости.
    Сравнительно недавно были найдены аналитические решения некоторых динамических задач термоупругости, определяющие характер распространения динамических термоупругих напряжений (В. И. Даниловская, 1950, 1952, 1960). Однако, несмотря на всю важность динамических задач, относящихся к различного рода взрывным, быстрым процессам, следует отметить, что наибольшее практическое применение во многих отраслях техники нашли решения статических задач термоупругости при нестационарных температурных полях. В этом случае предполагается, что напряженное состояние в каждый момент времени в точности соответствует перепаду температур, созданному к этому моменту времени, причем инерционными членами пренебрегают. На практике же прибегают к значительным упрощениям даже этих теоретических результатов, обращаясь во многих случаях к непосредственному экспериментальному определению сопротивления материалов при термическом ударе.
    Основные методы экспериментального исследования сопротивляемости материалов тепловому удару состоят в следующем. Резкое изменение температурного поля осуществляется путем помещения (сбрасывания) образца в жидкостную ванну или обдувом образца потоком газа или жидкости. Разность температур среды и образца подбирается при этом из условий разрушения.
    Возможно также использование резкого нагрева образцов с помощью малоинерционного нагревателя или с помощью внутреннего тепловыделения в материале образца. Тепловыделение может быть создано ядерным излучением, пропусканием электрического тока или токами высокой частоты. Г. Н. Третьяченко и Л. В. Кравчук (1964) для создания термического удара использовали газодинамический стенд, где кольцевые образцы или детали различной формы подвергались нагреву в продуктах сгорания и охлаждению воздушным потоком. В результате были найдены величины разрушающей разности температур (температура газа — начальная температура образца) для ряда высокотемпературных металлокерамических материалов.
    Методика исследования сопротивляемости хрупких материалов термическому удару при переменном коэффициенте теплоотдачи предложена в работе Н. И. Тихонова и др. (1963). Согласно этой методике образцы нагреваются в подвижной печи, которая затем удаляется, а образец охлаждается теплоизлучением. Теплонапряженность в ходе эксперимента определяется расчетным путем с использованием измеренной во время опыта температуры поверхности образца.
    В работе В. И. Даукниса и др. (1967) описывается установка для изучения термического удара, где применена подвижная сборка образцов.
    Заслуживают внимания также предложения по использованию лучистого и электронного нагрева в установках по термическому удару, появившиеся в литературе за последнее время.
    Одним из полезных приложений термических разрушений является огневое бурение, или термобурение, при котором для разрушения породы используется высокотемпературная струя газа. Теоретическое моделирование явления огневого бурения было предложено Г. П. Черепановым (1966).
    О влиянии температуры на прочность полимерных материалов будет сказано ниже. Здесь же отметим исследования прочности резин при повышенных температурах. При изучении вопросов влияния температуры на скорость разрушения ненаполненных резин Г. М. Бартенев (1958—1964) показал, что с повышением температуры увеличивается скорость образования и роста трещин и надрывов. В этих же работах проведено исследование влияния температуры на временную зависимость прочности резин в интервале от 20 до 140° С. Установлено сложное влияние температуры на долговечность, и указан диапазон практически безопасных нагрузок. Было показано, что температурно-временные зависимости для резин отличаются от таковых для твердых полимеров, причем при высоких температурах (90—140° С) в области больших долговечностей наблюдается отклонение кривых временной зависимости прочности от линейной (в координатах lg т — lg а), что, по-видимому, связано с изменением структуры в поверхностном слое образцов под действием процессов деструкции. Кроме того, в отличие от твердых тел (Г. М. Бартенев, 1964), напряжение оказывает незначительное влияние на энергию активации, которая для резин принимает довольно низкое значение; это связано, по-видимому, с тем, что кинетику процесса разрушения резин определяют главным образом межмолекулярные связи.
    В последнее время, в связи с широким использованием низких температур (жидкие кислород, водород, гелий) во многих отраслях современной техники, потребовалось детальное исследование механических и других свойств металлических материалов в условиях низких температур. Опубликовано большое количество работ, относящихся к исследованию поведения конструкционных металлических и неметаллических материалов при температурах до —253° С (20° К). Эти сведения помогают в процессе выбора материалов при конструировании различных машин, использующих, например, в качестве рабочего тела или рабочей среды сжиженные газы. Испытания, проводимые при низких и весьма низких температурах, дали возможность изучить процесс перехода от вязкого к хрупкому разрушению и определить величину предельного сопротивления хрупкому разрушению.
    Проблема хладноломкости неразрывно связана с именами Ф. Ф. Вит-мана, Н. Н. Давиденкова, А. Ф. Иоффе, Е. М. Шевандина, Н. П. Щапова, М. В. Якутовича и др.
    Большое значение имели исследования прочности паяных, сварных и клепаных соединений, а также материалов, содержащих концентраторы напряжений, что позволяло предвидеть и предотвращать внезапные аварии, возможные в условиях низких температур.
    Исследования, связанные с оценками хладноломкости, были начаты Н. Н. Давиденковым (1930—1938), который дал определение критической (переходной) температуры хрупкости и предложил использовать кривые, связывающие ударную вязкость с температурой, для косвенного определения сопротивления отрыву. Н. Н. Давиденков (1938) отметил, что наиболее чувствительной к температуре испытания является та часть работы, которая затрачивается после достижения максимальной нагрузки (при изгибе надрезанного образца), и что именно эта характеристика уменьшается при понижении температуры.
    В дальнейшем Е. М. Шевандин (1953—1965) провел исследования в области хладноломкости малолегированных конструкционных сталей, а Я. М. Потак (1955) дал анализ хрупких разрушений конструкций из легированной конструкционной стали. Им же отмечена склонность к хрупкому разрушению деталей, содержащих крупные зерна феррита.
    Цикл исследований, проведенных Т. А. Владимирским (1953—1958), привел к построению пространственных диаграмм (ударная вязкость-острота надреза — температура) для ряда конструкционных сталей. Им показано, что при изменении остроты надреза материалы могут меняться местами по оценке их критической температуры.
    В работе Г. В. Ужика и Ю. Я. Волошенко-Климовицкого (1962) отмечено, что хрупкое разрушение является преобладающим видом нарушения прочности при низких температурах, и установлены закономерности изменения предела текучести металлов при высоких скоростях нагружения и низких температурах. Здесь же отмечено существенное значение этих параметров при оценке опасности хрупкого разрушения.
    Данные о влиянии низких температур на механические свойства металлических сплавов систематизированы в работе П. Ф. Кошелева и С. Е. Беляева (1967).
    В заключение обратим внимание на то, что большинство исследователей отмечали усиливающуюся чувствительность материала к концентрации напряжений и падение прочности надрезанных образцов с понижением температуры (Я. Б. Фридман, 1952; Я. М. Потак, 1955; Г. В. Ужик, 1957).