Влияние температуры на растяжение
Зависимость механических характеристик конструкционных материалов от их химического состава, внешних условий и условий нагружения весьма многообразна; отметим наиболее существенные, характерные для типичных условий эксплуатации конструкций.
Влияние содержания углерода. Введение различных легирующих добавок в металлы позволяет значительно повысить прочностные характеристики сплавов. На рисунке показано влияние процентного содержания углерода на механические свойства конструкционной стали.
Влияние процентного содержания углерода
Как видно, с увеличением содержания углевода, временное сопротивление повышается в несколько раз; однако при этом значительно ухудшаются пластические свойства; относительное удлинение δ и относительное сужение ψ при разрыве уменьшаются.
Влияние температуры окружающей среды. Повышенные температуры оказывают существенное влияние на такие механические характеристики конструкционных материалов, как ползучесть и длительная прочность.
Ползучестью называют медленное непрерывное возрастание пластической (остаточной) деформации под воздействием постоянных нагрузок (более подробно о ползучести — здесь).
Длительной прочностью называется зависимость разрушающих напряжений (временного сопротивления) от длительности эксплуатации.
Свойства ползучести и длительной прочности проявляются у углеродистых сталей при t > 300oС, для легированных сталей при t > 350oС, для алюминиевых сплавов при t > 100oС.
Некоторые материалы проявляют эти свойства и при обычных температурах.
Мерой оценки ползучести материала является предел ползучести — напряжение, при котором пластическая деформация за определенный промежуток времени достигает заданной величины. В некоторых случаях сопротивление ползучести оценивается величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. При обозначении предела ползучести указывается величина деформации, время и температура испытаний. Например, для жаропрочного сплава ХН77ТЮР при температуре 700oС за время 100 часов и деформации ползучести 0,2%, предел ползучести составляет 400 МПа:
σ0,2/100(700) = 400 МПа
Ползучесть сопровождается релаксацией напряжений — самопроизвольным уменьшением напряжений с течением времени при неизменной деформации (более подробно — здесь).
Скорость релаксации напряжений возрастает при повышении температуры.
Мерой скорости релаксации служит время релаксации—промежуток времени, в течение которого напряжение уменьшается по сравнению с начальным значением в е=2,718 раза.
Прочность материала при повышенных температурах оценивается пределом длительной прочности — напряжением, при котором материал разрушается не ранее заданного времени. При обозначении предела длительной прочности указывается продолжительность нагружения и температура испытания. Так, для сплава ХН77ТЮР при температуре 700oС и времени 1000 часов предел длительной прочности составляет 330 МПа . При кратковременных испытаниях для этого же сплава при температуре 700oС пределы прочности и текучести соответственно равны: σВ = 830 МПа,σ0,2 = 560 МПа.
Влияние повышенных температур на характеристики прочности и пластичности можно проследить на следущих рисунках, где представлены осредненные результаты экспериментов:
Влияние температуры на упругие свойства
Влияние температуры на пластические свойства
для 1 — углеродистой стали, содержащей 0,15% углерода; 2 — 0,40% углерода, 3—хромистой стали.
Прочность углеродистых сталей с повышением температуры до 650—700oС снижается почти в десять раз. Наиболее резкое снижение σВ наблюдается для алюминиевых сплавов. Наибольшими значениями σВ при высоких температурах обладают литые жаропрочные сплавы, содержащие 70—80% никеля. Снижение пределов текучести σТ с повышением температуры происходит примерно так же, как и снижение σВ.
Для углеродистых сталей характерным является ухудшение пластических свойств (охрупчивание) при температурах около 300oС (кривая 2 на рис. Влияние температуры на пластические свойства ).
Влияние температур на упругие свойства. Температурный коэффициент линейного расширения и температурный коэффициент модуля упругости 
связаны между собой соотношением η+αm=0, или η/α = -m =const,
где r и m — постоянные, характеризующие параметры кристаллической решетки.
Зависимость модуля упругости от температуры
На рисунке приведена зависимость безразмерного модуля упругости Е/Е0 некоторых конструкционных материалов от температуры (E0— модуль упругости материала при обычной температуре): 1 — нержавеющая сталь; 2 — алюминиевые сплавы, 3 — углеродистые стали, 4 — титановые сплавы.
Для сталей с повышением температуры испытаний с 25 до 450oС модули упругости Е и G уменьшаются на 20—40%, при этом, начиная с 300—400oС наблюдается расхождение между значениями модулей, определенными при статических и динамических испытаниях.
Изменение модулей упругости при малых колебаниях температуры (от –50 до +50oС) незначительно и им обычно пренебрегают.
Источник
В паровых котлах, двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, а также во многих химических аппаратах металл работает в условиях высоких температур. Особенно высокие температуры, свыше 1000°, достигаются в авиационных реактивных двигателях. Поэтому представляет интерес изучение механических свойств металлов и сплавов при высоких температурах.
Рис. 103.
На рис. 103 приведена серия диаграмм растяжения одной и той же углеродистой стали при различных температурах, от 20° до 400°. Интересно отметить, что, начиная с температуры 400°, площадка текучести исчезает и диаграмма становится подобной диаграмме растяжения цветных металлов — меди или алюминия.
При более высоких температурах прямолинейный участок диаграммы по существу отсутствует и результаты испытаний оказываются в сильной степени зависящими от скорости растяжения. Если подвергнуть образец действию постоянной нагрузки, он будет продолжать деформироваться с некоторой определенной скоростью, зависящей от действующего напряжения.
Медленное течение металла под действием постоянной нагрузки называется ползучестью. Для изделий с более или менее длительным сроком службы ползучесть [представляет главную опасность, так как она может привести либо к накоплению недопустимо большой деформации, либо к разрушению. Вопросу о ползучести и прочности при длительном действии нагрузки будет посвящена специальная глава (гл. XVIII), здесь мы ограничимся сделанными замечаниями. Упругие характеристики металлов также меняются с температурой. На рис. 104 представлена зависимость модуля упругости
Рис. 104.
и модуля сдвига углеродистой стали от температуры. Как видно, при температуре 500° модуль упругости уменьшается примерно на 30%. Коэффициент Пуассона становится при этом весьма близким к одной второй. Следует заметить, что определение модуля упругости при высоких температурах затруднительно вследствие того, что материал ползет. Поэтому его находят или по наклону прямых разгрузки и повторной нагрузки (при этом ползучесть на некоторое время приостанавливается), либо по частоте упругих колебаний стержня из испытываемого материала, которая зависит от размеров стержня, плотности материала и модуля упругости (см. гл. XVI).
Поскольку модуль упругости характеризует силы междуатомной связи, на его зависимость от температуры очень мало влияет наличие в сплаве различных примесей. Для сталей с небольшим содержанием легирующих элементов эта зависимость мало отличается от представленной на рис. 104. Пластические свойства и прочность при высоких температурах, наоборот, могут быть очень сильно изменены введением в сплав дополнительных элементов и специальной термической обработкой; эти свойства в сильной степени зависят от структуры.
При выборе материала для работы в условиях высоких температур необходимо считаться с тем, что многие металлы с повышением температуры начинают интенсивно окисляться. Способность материала сопротивляться окислению при высокой температуре называется жаростойкостью, способность сохранять в этих условиях достаточно высокие механические характеристики — теплоустойчивостью или жаропрочностью.
Углеродистую сталь не рекомендуется применять при температурах, превышающих 400°, прочность ее становится низкой, а при температуре порядка 500° она интенсивно окисляется.
Введением легирующих элементов — хрома, никеля, молибдена — можно существенно повысить как жаростойкость, так и теплоустойчивость; такие стали применяются при температурах до 500°. При большом содержании хрома и никеля сталь сохраняет структуру аустенита с гранецентрированной решеткой при комнатной температуре. Такие аустенитные стали являются жаропрочными, область их применения до 600—650°.
При более высоких температурах приходится применять сплавы, в которых основой является не железо, а другие элементы, например, хромоникелевые сплавы, содержащие небольшие примеси иных металлов (титан, ванадий, ниобий и т. п.). 3 некоторых из таких сплавов содержится 5—6 различных металлических компонент.
Характерной особенностью углеродистой стали является то, что при температурах 200—300° ее прочность увеличивается, а пластичность уменьшается. Это явление называется синеломкостью, потому что в указанном интервале температур на поверхности нагретого стального изделия появляется синий цвет побежалости. У других металлов и легированных сталей этого не наблюдается.
Рис. 105.
На рис. 105 представлены кривые зависимости от температуры предела текучести, предела прочности и удлинения при разрыве для углеродистой стали (сплошные линии) и хромоникелевой стали (пунктир).
Источник
Все сказанное выше о свойствах материалов относилось к испытаниям в так называемых нормальных условиях, т.е. при температуре 20 °С и при сравнительно небольших скоростях изменения нагрузок и удлинений, которые обеспечиваются обычными испытательными машинами. Нормальной скоростью деформации считается
Диапазон температур, в пределах которого реально работают конструкционные материалы, выходит далеко за рамки указанных нормальных условий. Есть конструкции, где материал находится под действием чрезвычайно высоких температур, как, например, в стенках камер воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Имеются конструкции, где, напротив, рабочие температуры оказываются низкими. Это — элементы холодильных установок и резервуары, содержащие жидкие газы.
В широких пределах изменяются также и скорости нагружения, и время действия внешних сил. Есть нагрузки, действующие годами, а есть такие, время действия которых исчисляется миллионными долями секунды.
Понятно, что в зависимости от указанных обстоятельств механические свойства материалов будут проявляться по-раз-ному.
Обобщающий анализ свойств материала с учетом температуры и фактора времени оказывается очень сложным и не укладывается в простые экспериментально полученные кривые, подобные диаграммам растяжения. Функциональная зависимость между четырьмя параметрами , температурой и временем не является однозначной и содержит дифференциальные и интегральные соотношения входящих в нее величин.
Так как в общем виде аналитическое или графическое описание указанной функции дать не удается, то влияние температуры и фактора времени рассматривают в настоящее время применительно к частным классам задач. Деление на классы осуществляют в основном по типу действующих внешних сил. Различают медленно, быстро и весьма быстро изменяющиеся нагрузки.
Основными нагрузками, изучаемыми в сопротивлении материалов, являются медленно изменяющиеся, или статические. Скорость изменения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия, которую получают перемещающиеся частицы деформируемого тела, составляет ничтожно малую долю от работы внешних сил. Иначе говоря, работа внешних сил преобразуется только в упругую потенциальную энергию, а также в необратимую тепловую энергию, связанную с пластическими деформациями тела. Испытание материалов в так называемых нормальных условиях происходит под действием статических нагрузок.
Если вести испытания на растяжение при различных температурах образца, оставаясь в пределах нормальных скоростей деформации то можно в определенном интервале получить зависимость механических характеристик от температуры. Эта зависимость обусловлена температурным изменением внутрикристаллических и межкристаллических связей, а в некоторых случаях и структурными изменениями материала.
Рис. 1.47
На рис. 1.47 показана зависимость от температуры модуля упругости Е, предела текучести , временного сопротивления и удлинения при разрыве для малоуглеродистой стали в интервале Как видно из приведенных кривых, модуль упругости в пределах практически не меняется. Более существенные изменения претерпевают , причем имеет место, как говорят, “охрупчивание” стали — удлинение при разрыве уменьшается. При дальнейшем увеличении температуры пластические свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают.
Явление “охрупчивания” при повышенных температурах свойственно в основном малоуглеродистой стали. Легированные стали и цветные сплавы при повышении температуры обнаруживают большей частью монотонное возрастание 6 и такое же монотонное снижение На рис. 1.48 показаны соответствующие кривые для хромомарганцевой стали марки ЗОХГСА.
Чем выше температура, тем труднее определить механические характеристики материала. Происходит это не только потому, что возрастают сложности в технике эксперимента, но также вследствие того, что сами характеристики становятся
Рис. 1.48
менее определенными. При статическом нагружении, начиная с некоторых значений температур, резко сказывается фактор времени. Для одних материалов это происходит при более низких, для других — при более высоких температурах. Влияние фактора времени обнаруживается и при нормальных температурах. Однако для металлов его влиянием можно пренебречь. Для некоторых же органических материалов даже при низких температурах скорость нагружения существенно сказывается на определяемых характеристиках.
Изменение во времени деформаций и напряжений, возникающих в нагруженной детали, носит название ползучести.
Частным проявлением ползучести является рост необратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление носит название последействия. Наглядной иллюстрацией последействия может служить наблюдаемое увеличение размеров диска и лопаток газовой турбины, находящихся под воздействием больших центробежных сил и высоких температур. Это увеличение размеров необратимо и проявляется обычно после многих часов работы двигателя.
Другим частным проявлением свойств ползучести является релаксация — самопроизвольное изменение во времени напряжений при неизменной деформации. Релаксацию можно наблюдать, в частности, на примере ослабления затяжки болтовых соединений, работающих в условиях высоких температур.
Наиболее просто исследовать явление последействия. Если нагрузить образец постоянно действующей силой (рис. 1.49) и следить за изменением его длины в условиях фиксированной температуры, можно получить диаграммы последействия (рис. 1.50), дающие зависимость деформации от времени при различных значениях напряжения .
Рис. 1.49
Рис. 1.50
Как видно из этих кривых, нарастание деформаций происходит вначале очень быстро. Затем процесс стабилизируется и деформации увеличиваются с постоянной скоростью. С течением времени на образце, как и при обычном испытании, появляется шейка. Незадолго до разрыва имеет место быстрое возрастание местных деформаций в результате уменьшения площади сечения. При более высоких температурах изменение деформаций во времени происходит быстрее. Для данного материала можно при помощи методов теории ползучести перестроить диаграммы последействия в диаграммы релаксации. Последние, впрочем, можно получить и экспериментально. Для этого, правда, требуется более сложная аппаратура, так как необходимо, сохраняя удлинение образца, замерять изменения растягивающей силы.
Вид диаграмм релаксации, дающих зависимость напряжения от времени, представлен на рис. 1.51.
Рис. 1.51
Основными механическими характеристиками материала в условиях ползучести являются предел длительной прочности и предел ползучести.
Пределом длительной прочности называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения.
Таким образом, предел длительной прочности зависит от заданного промежутка времени до момента разрушения. Последний выбирается равным сроку службы детали и изменяется в пределах от десятков часов до сотен тысяч часов. Соответственно столь широкому диапазону изменения времени меняется и предел длительной прочности. С увеличением времени он, естественно, падает.
Пределом ползучести называется напряжение, при котором пластическая деформация за заданный промежуток времени достигает заданной величины.
Как видим, для определения предела ползучести необходимо задать интервал времени (который определяется сроком службы детали) и интервал допустимых деформаций (который определяется условиями эксплуатации детали).
Пределы длительной прочности и ползучести сильно зависят от температуры. С увеличением температуры они, очевидно, уменьшаются.
Среди различных типов статических нагрузок особое место занимают периодически изменяющиеся, или циклические, нагрузки. Вопросы прочности материалов в условиях таких нагрузок составляют содержание специального раздела сопротивления материалов и связываются с понятиями выносливости, или усталости, материала. Эти вопросы будут рассмотрены подробно в гл. 12.
После статических рассмотрим класс быстро изменяющихся, или динамических, нагрузок.
В оценке этих нагрузок существуют два подхода. С одной стороны, нагрузка считается быстро изменяющейся, если она вызывает заметные скорости деформации частиц тела, причем настолько большие, что суммарная кинетическая энергия движущихся масс составляет уже значительную долю от общей работы внешних сил. С другой стороны, скорость изменения нагрузки может быть связана со скоростью протекания пластических деформаций. Нагрузку может рассматривать как быстро изменяющуюся, если за время нагружения тела пластические деформации не успевают полностью реализоваться. Это заметно сказывается на характере наблюдаемых зависимостей между деформациями и напряжениями.
Первый критерий в оценке быстро изменяющихся нагрузок используют в основном при анализе вопросов колебаний упругих тел, второй — при изучении механических свойств материалов в связи с процессами быстрого деформирования.
Поскольку при быстром нагружении пластические деформации не успевают полностью реализоваться, материал с увеличением скорости деформации становится более хрупким и S уменьшается. Так как скольжение частиц образца по наклонным площадкам затруднено, должна несколько увеличиться разрушающая нагрузка. Сказанное можно проиллюстрировать, сопоставив диаграммы растяжения при медленно и быстро изменяющихся нагрузках (рис. 1.52).
Поскольку при быстром нагружении развитие пластических деформаций затруднено, главенствующим механизмом разрушения оказывается развитие трещин. В этом случае материал очень чувствителен к местному повышению напряжения. Это позволяет создать специальный метод испытания
Рис. 1.52
Рис. 1.53
материала на чувствительность к хрупкому разрушению — так называемое испытание на ударную вязкость.
Под вязкостью понимается свойство структуры твердого тела задерживать, затруднять, противостоять развитию трещин.
Испытание на ударную вязкость заключается в следующем. На образце квадратного сечения 10 X 10 делают надрез глубиной 2 мм. Образец укладывают на опоры (рис. 1.53) и по нему со стороны, обратной надрезу, с помощью маятникового копра наносят удар. Разность высот маятника до и после удара позволяет определить энергию, затраченную на разрушение образца. Эта энергия тем больше, чем больше вязкость материала. Сравнительной мерой вязкости служит энергия, отнесенная к площади ослабленного сечения.
Важно отметить, что ударная вязкость с уменьшением температуры падает, что кажется естественным. Но коварство заключается в неравномерности этого падения. Для многих материалов существуют критические низкие температуры, при переходе через которые ударная вязкость скачком уменьшается в несколько раз. Некоторые стали, например, проявляют свойство хладоломкости, на которое приходится обращать особое внимание, в частности, при выборе материалов для сооружений и транспортных средств, работающих в арктических условиях.
Последним из трех рассматриваемых видов нагрузок являются весьма быстро изменяющиеся во времени нагрузки. Скорость их изменения настолько велика, что работа внешних сил
почти полностью переходит в кинетическую энергию движущихся частиц тела, а энергия упругих и пластических деформаций оказывается сравнительно малой.
Весьма быстро изменяющиеся нагрузки возникают при ударе тел, движущихся со скоростями в несколько сотен метров в секунду и выше. С этими нагрузками приходится иметь дело при изучении вопросов бронепробиваемости, при оценке разрушающего действия взрывной волны, при исследовании пробивной способности межпланетной пыли, встречающейся на пути космического корабля.
Так как энергия деформации материала в условиях весьма больших скоростей нагружения оказывается сравнительно малой, то свойства материала как твердого тела имеют в данном случае второстепенное значение. На первый план выступают законы движения легко деформируемой (почти жидкой) среды, и особую роль приобретают вопросы физического состояния и физических свойств материала в новых условиях. Таким образом, задачи, связанные с весьма большими скоростями нагружения, выходят за рамки сопротивления материалов и оказываются в сфере вопросов физики.
Источник