АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Образование остаточных напряжений после нагрева или охлаждения

Основные особенности образования остаточных напряжений при нагревании или охлаждении выявляются на простом примере стержня, заделанного своими концами в абсолютно жесткие плоскости (рис.4.9).

Рис.4.9. Образование остаточных напряжений при нагреве стержня (механические свойства материала остаются постоянными в рассматриваемом интервале температуры):

а – остаточные напряжения образуются при упругих деформациях;

б – остаточные напряжения образуются при наличии вторичных пластических деформаций.

Расстояние между плоскостями остается неизменным. Эти плос­кости (в идеализированном виде) отражают части конструкции, не подвергающиеся температурному воздействию.

Если нагреть стержень на температуру t, то в нем возникнут температурные напряжения

, (4.10)

где - температурная деформация;

. (4.11)

В последнем равенстве - истинный коэффициент линейного расширения при температуре - текущая температура, .

По определению

. (4.12)

В большинстве справочных руководств дается среднее значение коэффициента линейного расширения при нагреве от 0 до t, так что

. (4.13)

Из этого равенства вытекает соотношение между истинным и средним значениями коэффициента линейного расширения при температуре t:

. (4.14)

Для вычисление по формуле (14) надо знать средние значения коэффициента линейного расширения при различных t.

Если в пределах интересующего интервала температур изменяется незначительно, то

.

Учитывая формулы (10) и (13), запишем

Для стали ; ,

и тогда при t=100˚С

Из этого примера видно, что температурные напряжения, возникающие даже при небольшой разности температур, оказываются весьма значительными.

Если температурные напряже­ния в процессе нагрева будут выше предела текучести материала, то после снятия нагрева в стержне останутся остаточные напряжения.

На рис.4.9 дан графический ме­тод определения остаточных на­пряжении после нагрева при усло­вии, что механические свойства в процессе нагрева остаются практически постоянными (для углеродистых сталей нагрев до 250˚С, для жаропрочных сплавов — до 450°С). По оси абсцисс отклады­вается значение температурной деформации, с обратным знаком точка А характеризует напряже­ние в стержне в конце нагрева. При снятии нагрева деформации и напряжения изменяются но прямой АА₁; отрезок ОА₁ выражает остаточные напряжения. При больших значениях (рис.4.9.б) в про­цессе разгрузки образуются повторные пластические деформации.

Представляет интерес определение остаточных напряжений после значительного нагрела, когда в процессе нагрева и охлаждения механические свойства материала изменяются. Пусть нагрев осу­ществляется от температуры t₁ до t_к. На рис.4.10 даны кривые дефор­мирования для указанных температур и двух промежуточных.

Вначале рост температурных напряжений идет вдоль кривой O1, при дальнейшем повышении температуры осуществляется «пе­рескок» на кривую О2 (для простоты предполагается, что свойства материала изменяются скачкообразно). Температурное напряжение после нагрева численно равно ординате точки А.

Рис.4.10. Определение температурных напряжений в процессе нагрева с учетом изменения механических свойств материала

Для аналитического решения задачи должно быть известно
уравнение семейства кривых деформирования при различных температурах

(4.15)

Тогда

. (4.16)

В этом равенстве деформация равна температурной деформации

(4.17)

В общем под следует понимать относительное изменение линейных размеров, вызванное не только температурным расширением, но и фазовыми, структурными и другими процес­сами, связанными с температурой.

Рассмотрим процесс охлаждения. При уменьшении температуры от до t₃ температурные напряжения будут уменьшаться по прямой A3*, параллельной начальному участку кривой ОА. При понижении температуры от t₃ до t₂ напряжение изменяется по прямой 3* 2*, параллельной начальному участку кривой ОЗ. В точке А΄ остаточ­ные напряжения достигают предела текучести и дальнейший рост остаточных напряжений становится небольшим.

В изложенном методе определения остаточных напряжений (графическом и аналитическом) используется простейшее предположение о том, что для каждого этапа нагрева или охлаждения справедлива зависимость , свойственная дан­ной температуре, причем переход от одной кривой деформирования к другой осуществляется при постоянстве общей деформации.

Отметим важную особенность в образовании остаточных напряжений после интенсивного нагрева. В процессе нагрева соз­даются температурные напряжения сжатия, превосходящие предел текучести материала (температурная деформация, превышающая упругую). В результате в материале образуется остаточная пласти­ческая деформация сжатия. После снятия нагрева размеры детали возвращаются к прежним, но наличие остаточной деформации сжатия вызывает появление остаточных напряжений растяжения.

Выше при рассмотрении вопроса об остаточных напряжениях после нагрева или охлаждения учитывалась только обобщенная «температурная» деформация.

Во многих случаях оказывается необходимым учесть специфи­ческие объемные изменения в материале, связанные с фазовыми и структурными превращениями, которые определяются но только температурой, но и другими параметрами процесса, например, временем. При расчете реальных процессов нагрева или охлаждения следует также иметь в виду, что распределение температур (и темпера­турных напряжений) сильно изменяется но времени.

В некоторых случаях нагрева (или охлаждения) процессы нагружения и разгрузки (в данной точке) могут повторяться. Следует также учитывать изменение кривых деформирования в связи с изме­нением температуры. С подобными вопросами приходится сталки­ваться при определении остаточных напряжении, вызванных терми­ческой обработкой металлов.

Дата добавления: 2015-01-18 | Просмотры: 751 | Нарушение авторских прав