книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

температур и температурные напряжения. На рис. 8.14 показана

При увеличении изоляции, очевидно, увеличивается термо­ сопротивление, и тепловой поток снижается пропорционально 'общему сопротивлению. При этом возникает вопрос о располо­ жении изоляции. Если она помещена в районе А, то будет умень­ шаться не только Т г — Т 2, но и 7\. Лучшее место для изоляции расположено наиболее близко к источнику тепла.

8.3. СОВМЕСТИМОСТЬ РАСШИРЕНИЯ

Температурные напряжения возникают вследствие ограниче­ ния свободного расширения каждого элемента в соответствии с его температурой и способностью к тепловому расширению. В ряде случаев неоднородности распределения температур не удается избежать, но когда произведения температуры на коэффициент теплового расширения у различных элементов близки, оказывается

ные температурные напряжения достигают 34,8 кгс/мм2. Если наружная обшивка сделана из стали (а = 10,9-Ю"6 1/°С), а лонжерон.— из алюминия, то за счет низкого коэффициента расширения обшивки номинальные напряжения при ее нагреве снижаются до величины, равной 18,05 кгс/мм2. Конечно, крылья самолета, имеющего скорость 3,1 маха, в любом случае должны иметь стальную наружную обшивку в связи с ее высокой темпера­ турой, но из примера видно, что биметаллическая конструкция имеет преимущество. Поэтому во всех практических случаях, когда необходимо обеспечить совместимость теплового расшире­ ния, следует предпочесть биметаллическую конструкцию, неза-

висимо от сложности технологии соединения разнородных метал­ лов. Последнее следует принять во внимание уже перед оконча­ тельным выбором материала.

8.4. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Остаточные напряжения часто появляются в связи с неоднород­ ностью распределения температур, возникающей в процессе про­ изводства. Они могут существенно влиять на прочность детали при эксплуатации в условиях механических или термических нагрузок.

Отрицательное влияние остаточных напряжений особенно про­ является в хрупких материалах, где рабочие напряжения из-за отсутствия ползучести или пластических деформаций суммируются с остаточными напряжениями. Однако наложение остаточных напряжений обратного знака и рабочих температурных или меха­ нических напряжений может обеспечить упрочнение детали в ра­ бочих условиях.

8.4.1. Вредное влияние остаточных напряжений. Отрицатель­ ная роль остаточных температурных напряжений исследована Ринеем в связи с разрушением стеклянных колб электронных

к разрушению при нормальной эксплуатации и к образованию трещин от напряжений при температурных циклах. Остаточные напряжения определяли методом фотоупругости и сопоставляли с данными, полученными при исследовании механической проч­ ности стекла. Механическую прочность измеряли способностью стекла сопротивляться растрескиванию при царапании наждач­ ным полотном с последующим погружением в воду при комнатной температуре на время до 1 ч. Механизм растрескивания недоста­ точно ясен; полагают, что если происходит растяжение поверх­ ности, то внутри царапины возникает гидростатическое давление. Этот разрушающий метод испытания обычно используется как средство определения опасных остаточных напряжений в стекле. Из проведенных опытов было установлено, что скорость разруше­ ния при испытании царапанием коррелирует с величиной остаточ­ ных напряжений, определенных методом фотоупругости. Эти ис­ следования являются неразрушающими, ипоэтому элементы счрезмерными остаточными напряжениями могут быть заранее отбра­ кованы и подвергнуты отжигу для снижения остаточных напря­ жений до допустимого уровня. Остаточные растягивающие напря­ жения на наружной поверхности купола колбы меньшие, чем 2,8 кгс/мм2, могут считаться допустимыми, так как в этом случае колбы выдерживают обычные операции при их производстве.

8.4.2. Полезные остаточные напряжения. В ряде случаев можно создать первоначальные напряжения, которые противодей­ ствуют эффекту температурных напряжений и тем самым улуч­

миния, покрытый слоем никеля толщиной 1,58 мм, не разрушился, в то время как цилиндр без покрытия распался на множество частей.

Остаточные напряжения растяжения. В дисках турбин в ряде случаев возникают сжимающие рабочие напряжения, и для их снижения желательно получить остаточные напряжения растя­ жения. Эти напряжения могут быть достигнуты в роторе, состав­ ленном из двух частей (рис. 8.17). Центральную область с низкой

шаются за счет остаточных напряжений растяжения. В нижней ча­ сти рис. 8.17 показано распределение напряжений в случае, если при сварке между ободом и центральной частью поддерживается разница температур 204° С. Расчет производили с использованием данных для диска без предварительного сжатия, причем расчет­

ственной зоной действия высоких напряжений является зона, непосредственно примыкающая к сварному шву. Здесь могут воз­

вызвать релаксацию этих напряжений. Пока достаточного ко­ личества данных о релаксации температурных напряжений нет, однако некоторые выводы могут быть сделаны из исследования, проведенного в связи с высокотемпературной усталостью. Была

выполнена программа исследований по определению влияния чер­ новой и чистовой обработки поверхности на усталостные свойства малоуглеродистого сплава N-155 [8.8]. Некоторые результаты приведены на рис. 8.18. В верхней части кривой даны на­ пряжения в зависимости от числа циклов до разрушения при комнатной температуре для материала при трех видах термо­ обработки поверхности. Образец с шероховатой поверхностью имеет большую прочность, чем полированный и шлифованный образцы. ‘

Хотя эти данные противоречат результатам обычных усталост­ ных испытаний, улучшение показателей для шероховатой по-

Рис. 8.18. Влияние обработки поверхности на усталостные свойства малоуглеродистого сплава N-155 при температуре испытаний 26 (а) и 732° С (б):

О — полирован; □ — шлифован; д — черновая обработка [8.8]

верхности связано с поверхностным наклепом, полученным пр.. черновой обработке. Величина наклепа так велика, что ком­ пенсирован вредный эффект поверхностной неровности, и ре­ зультирующее воздействие — положительное. Подобные образцы последовательно испытаны при более высоких температурах, и обнаружено, что полезный эффект черновой обработки сни­ жается.

При 730° С образцы после всех видов обработки имели в основ­ ном одинаковую прочность, как показано на рис. 8.18, б. Таким образом, все полезные эффекты обработки сняты отжигом мате­ риала. Для проверки этого вывода образцы после трех видов обра­ ботки выдерживали при 760° С в течение 4 ч и затем испытывали при комнатной температуре. Вместо трех кривых для каждого вида обработки поверхности, приведенных на рис. 8.18, а, получена только одна кривая. Следовательно, выдержка материала при высокой температуре' снижает полезный эффект остаточных на­ пряжений. Применительно к тепловому удару или нагружению температурными напряжениями эти результаты являются суще­ ственными, поскольку они подчеркивают важность влияния ра­ бочих температур на эффективность любого предварительно созда­ ваемого напряженного состояния.

Возможно, что к числу наиболее важных результатов многих исследований в области механической усталости, выполненных в течение последних десятилетий, относится исследование влия­ ния концентрации напряжений, вызываемой резким изменением конструктивных форм. Это справедливо также и для температур­ ных напряжений. Действительно, во многих случаях вредный эффект нарушений формы становится при температурных нагруз­ ках даже большим, чем при механических. Если заданное темпера­ турное расширение воспринимается участками с малым и боль­ шим сечениями последовательно, то большая часть деформации (возможно почти вся) концентрируется на участке с малым сече­ нием. Причина этого рассматривалась в связи с рис. 5.5. Осо­ бенно важно поэтому рассмотреть те случаи, когда возникает концентрация напряжений и деформаций, а также методы преодо­ ления ее нежелательных эффектов.

8.5.1. Виды концентрации деформаций. Среди геометрических факторов, которые приводят к концентрации деформаций при дей­ ствии термической нагрузки, прежде всего следует рассмотреть такие уже встречавшиеся при изучении механического нагру­ жения, как отверстия и надрезы. Коффин, например, показал, что наличие малого отверстия в трубе под действием температурных напряжений снижает долговечность в 10 раз [8.6]. Р. Смит и Г. Смит получили снижение долговечности при циклическом тер­ мическом нагружении круглых дисков с надрезами на периферии [8.15]. Поэтому очевидно, что случаи, рассмотренные в области механической усталости, также заслуживают внимания при изу­ чении термической усталости.

Изменение поперечного сечения. Известно, что резкие изме­ нения поперечного сечения приводят к концентрации напряжений при механическом нагружении. Когда нагрузка термическая, эффект может быть еще более сильным. Это обусловлено не только тем, что деформация стремится локализоваться в наиболее сла­ бом сечении, но и тем, что малое сечение имеет меньшую тепловую инерцию, чем большое. Оно может нагреться или охладиться быстрее, чем соседнее массивное сечение, что приводит к большей разнице в тепловом расширении. В случае нагрева наибольшая температура в малом сечении снижает предел текучести, так что реализуется тенденция к концентрации деформаций в этом се­ чении.

Вместе с тем, не во всех встречающихся на практике случаях так очевидно влияние изменения сечения. В лопатках турбин, например, изменение сечения лопатки в осевом направлении мо­ жет быть весьма плавным. Но если входная кромка лопатки имеет очень малую толщину по сравнению с сердцевиной, то изменение сечения в направлении хорды может привести к очень высокой концентрации напряжений вследствие относительно высокой ско-

могут развиваться трещины, поэтому применяется другой способ крепления лопатки в осевом направлении. В этом случае исполь­ зуется шпонка, которая входит в паз в середине замковой части лопатки и загибается по краям диска, предотвращая ее осевое перемещение. Этот способ крепления не только устраняет кон­ центрацию деформаций, но и является более простым и дешевым.

В некоторых случаях концентрация деформаций является след­ ствием дефектов, присущих структуре, а не результатом кон­ структивных особенностей, которые конструктор может изменять. Чтобы избежать разрушения, необходимо осматривать поверхност­ ные и более глубокие слои материала (например, рентгеном в об­

формы присущи конструкции, то область концентрации дефор­ мации можно усилить, например, бобышкой вокруг круглого от­ верстия. При этом необходимо учесть влияние такого усиления на условия нагрева и охлаждения. Если, например, усиление вызы­ вает большое запаздывание по температуре, то деформации могут увеличиться, а не уменьшиться. Тонкие края дисков и лопаток турбины быстро нагреваются в условиях теплоотдачи, характер­ ных для работы турбины, а их расширение ограничивается мас­ сивными основаниями, к которым они примыкают. Если вместо острого края применяется закругленный, то снижается скорость нагрева и расширение более массивного закрепленного края в мень­ шей степени ограничено холодной центральной частью. На рис. 8.21 показаны результаты исследований влияния на темпера­ туру изменения радиуса края профиля, моделирующего лопатку турбины. Условия расчета выбраны так, чтобы имитировать усло­ вия работы типовых турбин [8.7]. Для заданной температуры на краю характерна зависимость: чем острее край, тем больше раз­ ница между температурой на краю и в средней части. Так как температурные деформации, полученные из упругого расчета, пропорциональны этой разнице температур, следует полагать, что лопатка с закругленным краем имеет более высокую долговечность в условиях термической усталости, чем лопатка с острым краем.