Вопрос № 2. Поведение конструкционных материалов при повышенных и пониженных температурах и давлениях

Наиболее важными показателями, характеризующими механические свойства (прочностные характеристики) конструкционных материалов, являются:

- предел прочности, или временное сопротивление, σ_в,

- предел текучести σ_т,

- относительное удлинение ε или сужение ε1,

- модуль упругости при растяжении Е (модуль продольной упругости),

- коэффициент Пуассона μ,

- ударная вязкость α_в.

Из физических характеристик важно знать температурный коэффициент линейного расширения материала α и его коэффициент теплопроводности λ (особенно для теплообменной аппаратуры).

Рисунок 2 – Диаграмма растяжения пластинчатого материала	Рисунок 3 – Диаграмма растяжения хрупкого материала

Рассмотрим в качестве примера поведение так называемых пластичных и хрупких материалов при их растяжении и сжатии. На рисунок 2 и 3 приведены диаграммы растяжения, а на рисунок 4 и 5– сжатия пластичных (вязких) и хрупких материалов. На рисунок 2 и 3 по осям абсцисс отложено относительное удлинение (относительная продольная деформация) материала, а на рисунок 4 и 5 относительное сужение (относительная поперечная деформация).

Рисунок 4 – Диаграмма сжатия пластинчатого материала	Рисунок 5 – Диаграмма сжатия хрупкого материала

На рисунок 2–5 обозначено:

σ_у – предел упругости, т.е. напряжение, превышение которого вызы­вает незначительные остаточные деформации (не более 0,03 %);

σ_т – предел текучести, т.е. напряжение, при котором происходит тече­ние материала (рост деформаций) при постоянной нагрузке;

σ_в – предел прочности, или временное сопротивление, т.е. напряже­ние, вызванное наибольшей нагрузкой, при которой начинается разруше­ние образца.

Величину относительного удлинения (или сжатия) определяют из выражения:

(1.1)

где	∆l	– абсолютное удлинение (сжатие) образца;
	l	– первоначальная длина образца.

Величину нормального напряжения в соответствии с законом Гука определяют из выражений

σ = ε Е или σ =Р/F

(1.2)

где	Е	– модуль упругости (сжатия) материала, характеризующий сопротивляемость материала упругой деформации при растяжении (сжатии);
		Е = tg γ (см. рисунок2);
	Р	– сила, растягивающая или сжимающая образец;
	F	– поперечное сечение образца.

Под действием внешней силы Р в образце возникают не только продольные, но и поперечные деформации. Величину относительной поперечной деформации определяют из выражения:

(1.3)

где	∆b	– абсолютное сужение (расширение) образца (∆b = |b – b1|);
	b	– первоначальный поперечный размер образца;
	b1	– поперечный размер образца после нагружения силой Р.

Хрупкие материалы (чугун, керамика, бетон и др.) разрушаются под действием растягивающих сил при очень малых остаточных деформациях (рисунок 3). Для пластичных материалов (сталь, медь и др.) характерны большие значения остаточных деформаций (рисунок 2). При сжатии пластичные материалы ведут себя почти так же, как и при растяжении (рисунок 4). Хрупкие же материалы (рисунок 5) при сжатии разрушаются так же, как и при растяжении, т. е. при весьма малых деформациях. В то же время необходимо отметить, что хрупкие материалы сопротивляются сжатию гораздо лучше, чем растяжению.

Механические свойства конструкционных материалов, из которых изготовлено технологическое оборудование, претерпевают изменения в зависимости от технологических параметров протекающих в аппаратах процессов, свойств и характеристик технологической и окружающей среды. При наличии в аппаратах пожаровзрывоопасных сред к выбору материалов для изготовления аппаратов предъявляют повышенные требования.

В результате одновременного воздействия высоких температур и нагрузок аппараты могут разрушаться вследствие ползучести металла.

Ползучестью – называют свойство металла медленно, непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при высоких температурах.

Пределом ползучести (условным) σп, называют напряжение, которое вызывает общую деформацию ползучести 1 % (∆l = 0,01 l) за время, равное 104 или 105 ч, что будет соответствовать скорости ползучести 10–6 или 10–7ч.

ВЫВОД ПО ВОПРОСУ:

При повышенных давлениях ужесточаются требования к качеству конструкционных материалов (при больших давлениях используют стали с лучшими механическими свойствами и пониженным содержанием серы, фосфора и других вредных примесей). Кроме того, увеличение давления часто приводит к интенсификации коррозии. Такие характеристики как «хрупкий» и «пластичный» для многих конструкционных материалов являются относительными и меняются при изменении температуры окружающей среды, а также при возникновении некоторых видов коррозии.

Дата добавления: 2014-01-11