Влияние температуры на механические характеристики

На рисунке 3.6 показано влияние температуры на кривые деформирования. Коротко – все механические характеристики материалов зависят от температурного состояния!

Рисунок 3.6

Помимо предела прочности в качестве предельного напряжения могут быть использованы другие напряжения (в зависимости от условий нагружения - температуры, длительности, переменности и т.д.)

Длительная прочность. В случае высокой температуры и дли­тельного воздействия нагрузки наблюдается разрушение материала при напряжении, величина которого меньше временного сопротив­ления материала при данной температуре. В связи с этим возникает необходимость определять длительную прочность материалов.

Пределом длительной прочности называется напряжение, вызы­вающее разрыв образца после заданного срока непрерывного действия этого напряжения при определенной температуре.

Рисунок

Обозна­чается предел длительной прочности буквой σ с двумя числовыми индексами. Верхний индекс показывает температуру испытания, °С, ниж­ний — заданную продолжительность испытания до разрушения, ч. Последнюю можно обозначать числом часов или цифрой 10 с пока­зателем степени. Например, – предел длительной прочности за 1000 ч испытания при температуре 700°С.

Ползучесть. При высоких темпе­ратурах существенное значение имеет явление ползучести материалов (крип - creep), заключающееся в росте пластической деформации с течением времени при постоянном напряжении, не вызываю­щем пластических деформаций при кратковременном действии нагрузки. В зависимости от величины напряже­ния и температуры деформация, про­исходящая в результате ползучести, может либо прекратиться, либо про­должаться до разрушения материала.

Пределом ползучести называется наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести при данной темпера­туре за определенный промежуток времени не превышает установ­ленной величины (например, скорости

0,0001 % /ч или деформации 1% за 10000 ч).

Если предел ползучести определяют по величине деформации, то обозначают его буквой σ с тремя числовыми индексами: двумя нижними и одним верхним. Первый нижний индекс отражает за­данное удлинение (суммарное или остаточное), %; второй нижний индекс — заданную продолжительность времени испытания, ч; верхний индекс — температуру, °С. Например, запись оз­начает предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч испытания при температуре 700°С. При этом необходимо до­полнительно указать, по суммарной или остаточной деформации определялся предел ползучести.

Усталостное разрушение. Усталость - процесс постепенного накопле­ния повреждений в материале, обусловленный цик­лическим действием нагрузок. Именно усталость является основной причиной разрушения элемен­тов машиностроительных конструкций, в частно­сти, авиационных двигателей. Особенность уста­лостного разрушения состоит в том, что оно может иметь длительный инкубационный период, состав­ляющий иногда годы эксплуатации изделия, в те­чение которого выявление признаков приближаю­щегося разрушения затруднительно. Механизмы усталостного разрушения для разных материалов и условий многообразны и чувствительны к мно­жеству случайных факторов, что затрудняет рас­четы, требует проведения большого объема экспе­риментальных работ.

Выделяют малоцикловую и многоцикловую усталость, имеющие совершенно различные меха­низмы и закономерности разрушения.

Для мало­цикловой усталости (МЦУ) характерно появление пластических деформаций в макроскопических (в несколько миллиметров и более) объемах мате­риала в каждом цикле нагружения. Такой механизм разрушения реализуется при значительных цикли­ческих нагрузках, и деталь выдерживает до полом­ки не более 10⁴ – 10⁵ циклов нагружения. МЦУ свя­зана с изменением режима работы двигателя во время эксплуатации, что приводит к изменению статических напряжений в деталях; при длитель­ной эксплуатации количество циклов изменения напряжений доходит до десятков тысяч, а ампли­туда может превышать предел текучести. Накоп­ление повреждений при МЦУ часто определяет ресурс работы деталей, работающих при повышен­ных температурах, например, дисков, рабочих и сопловых лопаток турбины, элементов камер сгорания ГТД.

Отличительная особенность МЦУ - возникнове­ние циклической пластической деформации в ло­кальных макроскопических зонах детали.

Многоцикловая усталость обычно связана с вибрациями. Переменные напряжения имеют сравнительно небольшую амплитуду (значительно ниже предела текучести), но количество циклов на­гружения за время эксплуатации достигает миллиардов. Характерная особенность такого разруше­ния - отсутствие макроскопических пластических деформаций в материале.

Многоцикловая уста­лость - определяющий процесс разрушения для многих деталей ГТД (лопатки, валы, шестерни).

Процесс усталостного разрушения принято делить на две стадии. На первой под действием переменных напряжений происходят необратимые изменения в структуре металла, связанные с пере­мещением микродефектов вследствие локальной концентрации напряжений на случайных неодно­родностях исходной структуры материала. При слиянии микродефектов образуются микротрещины, объединяющиеся при дальнейшем цикличес­ком нагружении в макроскопическую магистраль­ную трещину, размеры которой соизмеримы с размерами зерна и составляют десятые доли мил­лиметра. На второй стадии процесса усталостно­го разрушения происходит рост макроскопической трещины, заканчивающийся окончательным разрушением детали.

Для обеспечения усталостной прочности де­тали необходимо, чтобы рабочая амплитуда вибро­напряжений σ_а была ниже предела выносливости σ_а < σ_-1. Предел выносливости весьма чувствителен к влиянию конструктивных, технологических и эк­сплуатационных факторов. В реальных деталях он существенно ниже значения, получаемого при ис­пытаниях образцов.

Рассмотренные выше модели ползучести и ус­талости описывают процессы, происходящие при стационарном нагружении, т.е. при неизменной во времени статической нагрузке (при ползучести) или постоянной амплитуде цикла (при цикличес­ком нагружении). В этих случаях они пригодны для непосредственной оценки прочности и долговеч­ности деталей и конструкций.

Реальные элементы конструкций обычно рабо­тают при переменных во времени режимах нагру­жения. Это может быть связано с изменением режи­мов работы и условий эксплуатации конструкций. Так, например, условия нагружения деталей авиаци­онных двигателей могут изменяться с изменением тяги двигателя, высоты и скорости полета самолета. Приблизительно 2 – 4% своего ресурса авиационный двигатель работает на наиболее тяжелом взлетном режиме. …

3.3 Изотропные, анизотропные, ортотропные материалы

трансверсально-изотропные материалы.

…..

Дата добавления: 2014-01-11