ГЛАВА XXXIX основы РАСЧЁТОВ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ.

§ 253. Влияние высоких температур на механические свойства металлов.

В связи с быстрым развитием машиностроения в настоящее время всё более важное значение приобретают расчёты на прочность деталей машин, длительное время работающих при высоких температурах. К таким деталям относятся, например, диски и лопатки паровых и газовых турбин, трубы и другие детали паровых котлов, различные части двигателей внутреннего сгорания, реактивных двигателей, химических установок и приборов и многие другие.

На поведении материала таких деталей под нагрузкой сказывается как абсолютная величина температуры так, в особенности, и продолжительность работы детали при этой температуре.

Под влиянием высокой температуры свойства металлов значительно изменяются, так что знание характеристик прочности и пластичности металла при нормальной (комнатной) температуре является уже далеко недостаточным для расчёта детали из этого металла, работающей при повышенной температуре. Вместе с тем, обычные методы кратковременных испытаний оказываются пригодными для определения механических характеристик металлов только при сравнительно невысоких температурных (например, для углеродистых сталей - до 300-350°, для легированных сталей - до 350-400 для цветных металлов - до 50-150°). При более высоких температурах характеристики прочности и пластичности очень сильно зависят от продолжительности самого испытания. Вследствие этого при температурах выше 400 для сталей и 150° для цветных металлов определение таких, например, характеристик металла, как предел пропорциональности и предел текучести, является в значительной мере условным, а в некоторых случаях даже теряет свой смысл.

С повышением температуры модуль упругости и предел пропорциональности металла снижаются сначала постепенно, а затем, начиная с указанных выше температур, всё более резко. Так, значение модуля нормальной упругости стали при температуре 600 примерно на 25-30%, а при температуре 800° примерно на 50% ниже его значения при комнатной температуре. Понижение модуля упругости и предела пропорциональности у цветных металлов носит ещё более резко выраженный характер.

Величина коэффициента поперечной деформации у стали с повышением температуры обычно несколько увеличивается.

Предел текучести углеродистой стали при повышении температуры обычно сначала несколько повышается и при температуре около 200° достигает своей наибольшей величины. При дальнейшем увеличении температуры величина предела текучести сильно уменьшается; так, при температуре 400 предел текучести углеродистой стали составляет лишь от 60 до 70о/о его величины при комнатной температуре. При этом длина площадки текучести сокращается; у углеродистой стали примерно при 350-450° эта площадка вовсе исчезает. У легированных сталей предел текучести с увеличением температуры, как правило, непрерывно понижается.

Величина отношения предела текучести к пределу прочности стали при повышении температуры обычно уменьшается, притом тем более, чем выше температура; при температурах 300-350° величина этого отношения равна 0,35-0,4.

Пластические свойства стали (полное относительное удлинение и сужение при разрыве) с повышением температуры от 20 до 200-300 несколько снижаются; при дальнейшем повышении температуры пластичность стали, как правило, снова возрастает (никелевые, хромоникелевые, хромокремни-

§ 253]

ВЛИЯНИЕ высоких ТЕМПЕРАТУР

стые, хромовольфрамовые стали). У аустеннтных хромонпкелевых сталей пластичность с повышением температуры понижается; у углеродистых сталей снижение пластичности наблюдается при температурах 250-350 (так называемая синеломкость стали) и при температурах 900-1000 (красноломкость стали). У одних цветных металлов (алюминий, магний) повышение температуры вызывает непрерывное увеличение, а у других (медь, латунь, никель) - наоборот, уменьшение относительного удлинения и сужения.

Предел прочности стали при повышении температуры, как правило, сначала повышается и при температуре 250-300° достигает своей наибольшей величины, примерно на 20-25о/о превышающей величину предела прочности при комнатной температуре. При дальнейшем увеличении температуры величина предела прочности резко уменьшается. Так, например, для малоуглеродистой стали при 600 * величина предела прочности составляет только около 40о/о величины предела прочности той же стали при комнатной температуре.

Добавка легирующих примесей (никеля, хрома, ванадия) замедляет снижение предела прочности стали с увеличением температуры. Предел прочности чугуна до 300 сохраняется почти неизменным; при дальнейшем повышении температуры он сильно уменьшается. У цветных металлов (алюминий, медь, латунь, магний, олово, свинец, цинк, никель) и их сплавов предел прочности с повышением температуры непрерывно и сильно понижается. Так, при 600° у этих металлов величина предела прочности составляет всего лишь несколько процентов величины предела прочности при комнатной температуре.

Изменение предела выносливости стали с повышением температуры более или менее соответствует изменению предела прочности, т. е. сначала предел выносливости несколько увеличивается, а затем непрерывно уменьшается.

1-Аг нг

25000rQ5r50

20000

15000

10000

5000

о 100 200 300 400 500 600 700 800 О WO 200 300 400 500 600 700 800 Фиг. 658,

В качестве примера на фиг. 658 приведены кривые изменения характеристик прочности и пластичности малоуглеродистой стали (0,15о/о С) с повышением температуры до 800°,

§ 254. Явление ползучести и релаксации.

Описанное выше изменение характеристик прочности и пластичности металлов с повышением температуры имеет весьма важное значение при расчётах на прочность деталей машин и сооружений. Однако наиболее существенным в поведении металлов при высоких температурах оказывается явление так называемой ползучести или крипа.

Ползучестью называется непрерывно (хотя и сравнительно медленно) растущая во времени деформация материала, происходящая под действием постоянных по величине усилий (или напряжений) при повышенной температуре. У ряда металлов (свинец, латунь, бронза, алюминий и некоторые другие цветные металлы и сплавы) ползучесть может иметь место даже при комнатной температуре.

Чем выше температура, тем быстрее нарастает Деформация ползучести. Иногда напряжения, меньшие не только предела прочности, но даже и предела пропорциональности материала при комнатной температуре, могут при высокой температуре привести к разрушению детали в результате постепенного нарастания деформации в течение достаточно большого промежутка времени.

Таким образом, например, стальная труба, являющаяся паропроводом и работающая при высоком давлении и температуре пара, будет непрерывно увеличивать свой диаметр; в конце концов может произойти разрыв стенок трубы (такие случаи иногда имели место на практике). В результате ползучести диска и лопаток паровой турбины могут быть перекрыты зазоры, имеющиеся между концами лопаток и корпусом турбины, что вызовет поломку лопаток.

Деформация ползучести у металлов представляет собой необратимую (пластическую) деформацию материала и может быть рассматриваема как медленная текучесть металла. В результате развития пластических деформаций за счёт ползучести в ряде случаев (особенно при сложном напряжённом состоянии) происходит изменение величины напряжений и даж€ перераспределение их по объёму детали. Изменение величины напряжений будет особенно значительным тогда, когда вследствие тех или иных особенностей работы детали полная деформация её с течением времени не сможет изменяться. В этом случае упругая деформация детали, полученная ею при нагружении, с течением времени будет уменьшаться; за счёт этого возникнет и будет постепенно увеличиваться пластическая деформация. Вместе с тем, напряжения в детали будут снижаться. Такое уменьшение напряжений в результате постепенного нарастания пластической деформации за счёт упругой носит название релаксации напряжений.

Благодаря релаксации напряжений плотность соединения деталей, скреплённых при помощи упругого натяга, постепенно может быть настолько ослаблена, что вызовет нарушение нормальной работы конструкции. Так, например, ослабление плотности болтового соединения фланцев газопровода или цилиндра высокого давления паровой турбины может, в конце концов, привести к утечке газа или пара, если периодически не возобновлять затяжку болтов соединения; ослабление плотности насадки диска турбины на вал может привести к нарушению связи между диском и валом, к так называемому сходу диска.

Как уже было сказано, у некоторых цветных металлов и сплавов явление ползучести может иметь место даже и при комнатной температуре. Однако у стали, чугуна и ряда цветных металлов и сплавов ползучесть может возникнуть лишь при нагреве их выше некоторой, определённой для каждого металла, температуры (углеродистые стали и чугун - выше 300-350°, леги-юванные стали -выше 350-400°, лёгкие сплавы -выше 50-150 и т. п.). 1ри температурах ниже указанных явление ползучести у этих металлов не наблюдается. Вместе с тем, при температуре, равной или превышающей ту,