книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

Полученные выше аналитические зависимости (5.2.22), (5.2.30), (5.2.39) — (5.2.41) можно использовать для изучения термоупругих напряжений в деталях прокатных и кузнечно-штамповочных ма­ шин, приближающихся по форме к пластине или цилиндру и под­ верженных тепловому воздействию со стороны среды, периодически изменяющей во времени свою температуру.

Пример

Цилиндр, изготовленный из стали марки 45, помещен в среду, температура которой изменяется во времени по простому гармоническому закону. Определить амплитуду колебания термических напряжений на поверхности цилиндра, если

170

Т е р м и ч е с к и е н а п р я ж е н и я в п е р и о д и ч е с к и н а г р е ­ в а е м о м п о л о м ц и л и н д р е

Длинный полый цилиндр с внутренним радиусом Ъ и наруж­ ным R в начальный момент времени подвергается на наружной по­ верхности воздействию со стороны теплоотдающей среды, изменяю­ щей во времени температуру по сложному гармоническому закону. Внутри цилиндра происходит теплообмен с другой средой, имеющей постоянную температуру Тв. Теплообмен как внутри, так и снару­ жи цилиндра осуществляется по закону конвекции. Требуется найти функцию, описывающую термонапряженное состояние полого ци­ линдра.

Принимаем, что цилиндр достаточно длинный, чтобы можно бы­ ло применить к нему (в рамках принципа Сен-Венана) соотноше­ ния для плоского деформированного состояния. Тогда [106]

Будем искать функцию термоупругих напряжений для квазиста­ ционарного процесса теплообмена. Температурное поле полого ци­ линдра в этом случае определим из соотношения (5.1.64) полагая, что Fo->oo. Подставляя найденную функцию температуры в выра­ жения (5.2.42), (5.2.43) и (5.2.44), получим значения главных нор­ мальных напряжений:

171

172

173

Из (5.2.46) — (5.2.48) можно заключить, что каждый компонент термических напряжений выражается соответствующей функцией, состоящей из двух частей. Первая часть описывает некоторое, не зависящее от времени логарифмическое распределение термических напряжений, обусловленное стационарным температурным полем по­ лого цилиндра, на внутреннюю поверхность которого воздействует теплоотдающая среда с постоянной температурой Тв (относитель­ ный коэффициент теплоотдачи h\), а на внешнюю — среда с посто­ янной температурой Со/2 (относительный коэффициент теплоотда­ чи п2). Вторая часть функции характеризует сложные гармониче­ ские колебания термических напряжений, происходящие в каждой точке вокруг стационарных значений, описываемых первой частью.

Следует отметить, что выведенные решения для термических на­ пряжений в полом цилиндре при сложном гармоническом характере колебания температуры среды весьма громоздки, и получение чис­ ленных результатов требует больших затрат труда и времени. По­ этому практическое использование этих решений целесообразно только в случае применения вычислительных машин.

минимальная температура теплоотдающей среды 7"і=200°С; максимальная тем­

174

175

4. Б е з р а з м е р н а я а м п л и т у д а к о л е б а н и я н о р м а л ь н ы х о с е-

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

Внастоящее время существует много способов и приемов изме­ рения температуры деталей машин. Сложность осуществления на­ дежной коммутации малых токов и э. д. с. при измерении темпера­ туры во вращающихся деталях вызвала необходимость разработки различных электрических способов измерений с бесконтактной электрической связью между аппаратурой и вращающимися дат­ чиками.

Получили распространение также различные косвенные и не­ электрические способы измерения. Эти способы менее универсаль- - ны, иногда более трудоемки и сложны, чем электрические способы измерений. Однако они с успехом применяются для приближенного решения многих частных задач.

Все известные способы измерения температур делят на классы, каждый из которых сам по себе состоит из различных способов из­ мерений.

При проведении периодических или непрерывных измерений температуры в качестве основных требований обычно выставляют возможность получения данных не только об общем тепловом сос­ тоянии, но и местных нагревах в любых точках испытуемого объек-

176

та, дистанционность получения данных, возможность осциллографирования динамических быстро изменяющихся тепловых про­ цессов и мгновенных изменений температур, независимость результатов измерений от скорости вращения деталей (для враща­ ющихся деталей) и вибраций машин, возможность использования стандартной и простой измерительной аппаратуры, легкость тари­ ровки датчиков в измерительных установках, и ее устойчивость во времени, простоту конструкций коммутационных устройств, воз­ можность установки токосъемника непосредственно на валу испы­ туемого объекта и т. п.

Класс неэлектрических измерений состоит из следующих спо­ собов: теплового контакта с объектами через промежуточную теп­ лопроводную среду, контроля за общим тепловым состоянием дета­ лей путем измерения температуры охлаждающей среды, металло­ графических исследований, включая измерение микротвердости деталей машин, использования для измерения максимальных тем­ ператур различных плавких вставок и термокрасок и, наконец, из­ мерения посредством фотометрических приемов.

Класс измерений с применением косвенных приемов включает в себя следующие способы: физического и математического моде­ лирования, позволяющие устанавливать максимальные температу­ ры, отмечавшиеся на поверхности испытуемых деталей, путем на­ блюдения за окисными (оксидными) пленками, способы, использу­ ющие принципы электротепловой аналогии, а также способы математического моделирования с использованием сеточных моде­ лей и вычислительных машин.

Класс, объединяющий электрические способы измерений, вклю­

между исследуемыми деталями машин и индикаторами, включен­ ными в измерительную схему (бестеплоконтактные способы изме­

жать непосредственной контактной электрической связи между измерительной аппаратурой и температурными датчиками (без­

Каждый из способов измерений в свою очередь имеет ряд раз­ новидностей в зависимости от применяемых приемов, аппаратуры, электрических схем и конструктивных особенностей токосъемных устройств [114].

Из приведенных способов наиболее перспективными являются электрические бестеплоконтактные и безэлектроконтактные спосо­ бы измерения температур, основанные на использовании тепловых изменений электрических параметров материала деталей, а также безэлектроконтактные способы измерений с помощью вращающих­ ся термопар. Однако в настоящее время они пока еще уступают

177

другим, более освоенным методам измерений. Наиболее полно удовлетворяют современным техническим требованиям способы из­ мерения термопарами. Поскольку вопросы бесконтактной коммута­ ции э. д. с. термопар все еще не получили достаточно эффективного разрешения, для практических целей приходится в большинстве случаев пользоваться различными устройствами электроконтактной связи вращающихся термопар с измерительной аппаратурой, т. е. токосъемниками.

В тех случаях, когда необходимо знать лишь максимальную температуру нагрева различных участков детали, хорошие резуль­ таты дает применение металлографического метода исследования температурных полей.

Несмотря на широкую потребность в экспериментальных мето­ дах измерения температуры и значительные трудности, с которыми приходится сталкиваться при осуществлении таких измерений, в литературе этот вопрос освещен недостаточно. Можно назвать лишь отдельные работы и в первую очередь монографии Г. П. Зедгинидзе [114], А. В. Третьякова [20] и авторов [ПО], в которых при­ водится ряд сведений по методике измерения температурных полей. Н е э л е к т р и ч е с к и е с п о с о б ы и з м е р е н и я т е м п е р а ­ т у р ы

Неэлектрические способы, позволяющие определять темпера­ туру деталей машин без применения электрической измерительной аппаратуры, весьма разнообразны. Однако их нельзя назвать уни­ версальными.

В то же время для решения многих частных задач неэлектри­ ческим способам измерения можно отдать предпочтение. Это осо­ бенно относится к таким случаям, когда по техническим причинам невозможно обеспечить надежную электрическую связь между вращающимися датчиками и электрической измерительной аппара­ турой, и к случаям, когда другие способы измерений, не требующие непосредственных тепловых контактов и контактных электрических связей между термочувствительными элементами и измерительной аппаратурой, оказываются экономически невыгодными. Наконец неэлектрические методы измерений применяют и тогда, когда нет необходимости устанавливать динамику температурных изменений по сечению деталей машин во времени, а можно ограничиться оп­ ределением максимальной температуры разогрева различных уча­ стков, преимущественно поверхности деталей.

Среди неэлектрических способов измерения температуры наибо­ лее перспективным является металлографический метод. Он осно­ ван на присущем большинству металлов и сплавов свойстве изме­ нять свою микроскопическую и макроскопическую структуру, а также механические свойства, в частности макро- и микротвердость в зависимости от температуры нагрева и длительности теплового воздействия. Тепловое воздействие, в частности отпуск, отжиг, нор­ мализация, закалка, вызывает изменение ориентировки, формы, размеров, содержания структурных составляющих, т. е. отдельных кристаллов, фаз или их колоний. В стали, например, происходит

178

образование мартенсита, его распад, выделение избыточных кар­ бидов, образование сетки или скоплений избыточных составляю­ щих, изменение количества остаточного аустенита и размеров игл образующегося мартенсита и т. д. Все эти процессы определенным образом сказываются на изменении физико-механических свойств, в частности твердости стали.

При применении металлографического метода образцы подвер­ гают термической обработке при определенной длительности теп­ лового воздействия в условиях температур, составляющих темпера­ турную шкалу с заранее заданными интервалами. После такой обработки фотографируют макро- и микроструктуру поверхности образцов; полученные фотографии служат эталонами. Одновремен­ но на этих образцах замеряют макро- и микротвердость и строят эталонную кривую, характеризующую изменение твердости в зави­ симости от режима термической обработки образцов. При проверке агрегата, отработавшего в необходимом режиме, его демонтируют и извлекают деталь, подлежащую исследованию. Деталь разреза­ ют, производят фотографирование микро- и макроструктуры и за­ меряют твердость. В других случаях из детали извлекают предва­ рительно запрессованные в необходимых участках закаленные образцы-свидетели, изготовленные из того же материала, что и эта­ лонные образцы. Сравнивая визуально полученные микрофотогра­ фии и абсолютные значения твердости с эталонами и выбирая внешнее сходство микроструктурных кадров при совпадающем значении твердости, находят интервал температур, в пределах ко­ торого прогревался исследуемый участок детали при данном режи­ ме работы агрегата. Для другого режима работы агрегата опыт повторяют.

Таким образом, для определения температуры в любой точке поверхности и по сечению детали необходимо иметь эталонные об­ разцы. Эталоны разбивают на группы, соответствующие тем дли­ тельностям теплового воздействия, которые могут встретиться при работе реальной детали. Каждую группу составляют из такого количества образцов, которое покрывает ожидаемый диапазон из­ менения температуры равными заранее выбранными температур­ ными интервалами.

Поверхность всех образцов обрабатывают до того состояния, в * котором находилась до начала испытания исследуемая деталь. За­ тем образцы нумеруют и подвергают тепловому воздействию при температурах и длительностях, заранее установленных для каждо­ го номера образца. Важно, чтобы среда, в которой нагревают об­ разцы, не была излишне активной. Температуру при термической обработке измеряют термопарами, заранее вмонтированными в об­ разцы. В результате этого подготовительного этапа получают це­ лую гамму образцов, отличающихся друг от друга структурой и свойствами, сформировавшимися при заранее установленной дли­ тельности теплового воздействия в интервале температур изотерми­ ческой выдержки. После термической обработки образцы готовят для визуального изучения и фотографирования макро- и микро-

179