1.3 Термическая усталость. Влияние температуры испытания
В реальных условиях при повышенных температурах у материалов наблюдаются одновременно усталостные процессы и ползучесть. Большое значение имеет усталость в условиях циклического изменения температуры, например в материалах камеры сгорания двигателей, поверхности прокатных валков, котлов и т. д. Если температура изменяется при постоянном напряжении, то мы имеем дело с типичной термической усталостью.
Термическая усталость — это деформация и разрушение материала под действием повторяющихся нагревов и охлаждений.
Разрушение здесь происходит как при циклическом нагружении (под действием напряжений), так и при ползучести, происходящей вблизи максимальной температуры цикла. Замечено, что по сравнению с действием постоянной температуры при циклическом изменении существенно возрастает подвижность дислокаций и увеличивается число вакансий. Все это приводит к ускорению процессов ползучести и уменьшению длительной прочности.
В условиях усталости при высоких температурах, как и при ползучести, формируется субзеренная структура, трещины часто распространяются по границам зерен. Сами трещины зарождаются в стыках между зернами в местах больших скоплений дефектов и напряжений.
Значение термических напряжений определяют по уравнению
,
где Е — модуль упругости; а — коэффициент линейного расширения;t — температурный интервал; — коэффициент Пуассона.
Величина температурного перепада зависит от теплопроводности материала, условий нагрева и охлаждения и масштабного фактора деталей.
В основном условия термоциклирования отвечают малоцикловому нагружению, при котором сжатию способствует максимальная температура цикла, а растяжению — минимальная. Термическая усталость отличается от механической тем, что при термоциклировании напряжения в основном определяются упругопластическими свойствами материала.
Уменьшающиеся величины деформации при термоциклировании положительно влияют на термическую усталость. Этого можно достичь за счет уменьшения коэффициента линейного расширения и увеличения теплопроводности материала, но при этом не должно наблюдаться снижение жаропрочности. Достичь изменения теплофизических и механических свойств одновременно за счет изменения структуры и химического состава материала сложно. Повысить прочность и жаропрочность можно с помощью легирования, но теплопроводность при этом уменьшается.
Рост термической усталости (термостойкости) может отчасти наблюдаться за счет уменьшения концентраторов напряжений: металлургические — грубые включения различных фаз; технологические — надрезы, задиры; различные конструктивные.
1.4 Низкие температуры
Воздействию низких температур подвергаются очень многие материалы и изделия, например трубы для газо- и нефтепродуктов, мосты, железные дороги, автомобили, летательные аппараты и т. д. В северных районах охлаждение материалов может достигать -60 °С, корпуса самолетов и космических аппаратов могут охлаждаться до температуры жидкого кислорода (-183 °С).
Детали и отдельные узлы холодильной и криогенной техники, которые используются для получения, хранения, транспортировки сжиженных газов, охлаждаются до температуры жидкого гелия (-269 °С). При низких температурах у металлов наблюдаются потеря пластичности и вязкости и повышенная склонность к хрупкому разрушению. Основное требование к материалам, работающим в условиях низких температур, — это отсутствие хладноломкости.
Необходимо учитывать, что при низких температурах межатомные расстояния уменьшаются, что увеличивает 0,2 (вплоть до температуры 77К), затем рост его замедляется и при температуре, близкой к абсолютному нулю, становится температурно независимым (рис. 1.5). Металлы с ОЦК решеткой, содержащие малые концентрации примесей, имеют слабую температурную зависимость предела текучести, но при этом наблюдаются рост предела прочности и сохранение высокого уровня пластичности. Металлы с ОЦК решеткой, когда примеси внедрения в малых количествах (в сотых долях) могут вызвать переход в хрупкое состояние, а металлы с ЩК решеткой — количество примесей даже около 1% мало влияет на пластичность. Этим в основном и объясняется, что при низких температурах могут работать металлы с ГЦК решеткой. Металлы с решеткой ГПУ находятся в промежуточном положении между металлами с ОЦК и ГЦК решетками по склонности к хрупкому разрушению.
Для надежной работы материала необходимо, чтобы температурный порог хладноломкости был ниже рабочей температуры. На склонность к хрупкому разрушению, как и при нормальных температурах, влияют концентраторы напряжений и масштабный фактор деталей. Материалы с ГЦК решеткой, а также титан и его сплавы с ГПУ решеткой не имеют явно выраженного порога хладноломкости и , ударная вязкость у них уменьшается плавно.
Кроме критериев хладостойкости основанием для выбора материала служат прочностные характеристики (в и 0,2), физические и технологические свойства.
Важным критерием хладостойкости является вязкость разрушения в условиях плоской деформации КIC . Однако достаточно сложная методика оценки КIC при низких температурах затрудняет возможность широко пользоваться этим показателем при выборе материала.
Из физических свойств материалов при низких температурах интерес представляют теплопроводность и теплоемкость. Скорость захолаживания материала зависит от теплоемкости и теплопроводности металла, а при низких температурах, близких к жидкому азоту (-196 °С) эти характеристики уменьшаются более чем в 10 раз. Скорость захолаживания материала при термоциклировании по-разному зависит от теплоемкости и теплопроводности. Чем меньше теплоемкость и больше теплопроводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и быстрее выходит на заданный режим.
Рассмотрим некоторые технологические характеристики — свариваемость и пластичность. Сварка широко используется в производстве криогенной аппаратуры.
Пластичность очень важна при использовании тонких листов для изготовления элементов деталей при низких температурах.
Наиболее распространенными средами в криогенной технике являются кислород и водород, поэтому необходимо учитывать совместимость с ними используемых материалов.
Основные материалы, которые используются при криогенных температурах, — это углеродистые стали с ОЦК решетками, алюминий и его сплавы (АМц, АМг, АМг5 и др.), титан и его сплавы (ВТ1, ВТ5, ОТ4 и др.).
Нержавеющие стали переходного и мартенситного классов не охрупчи- ваются до -196 °С. Нержавеющие стали аустенитного класса пластичны и вязки до температур -253 °С.