Феодосьев В.И. - Десять лекций-бесед по сопротивлению материалов, страница 12

Основной особенностью температурных напряжений является то, что они возникают как следствие температурных деформаций, однозначно связанных с температурой. Разность между полной деформацией е„н температурной деформацией е, образует силовую деформацию е.=е„— в„-, по которой из диаграммы растяжения и определяется напряжение а. Если деформация тела ограничена, то деформация в„практически моя,"ет быть равной нулю, и тогда силовая деформация по абсол|отной величине равна температурной. Естественным является вопрос, в каком соотношении находятся возможные температурные деформации, возни- кающие в теле, и деформации, соответствующие характерным точкам диаграммы растяжения — сжатия. Так, если температурная деформация может иметь величину порядка деформации, соответствующей пределу упругости, то в нагретом теле при определенных условиях можно ожидать возникновения пластических деформаций.

Если температурная деформация близка к удлинению при разрыве, то возможно образование трещин. В частности, упругие удлинения стекла при напряжении, близком к пределу прочности, составляют величину порядка 0,06% — 0,15%. Коэффициент линейного расширения стекла аж8 10 ' 1/град, При температуре 100' С температурная деформация равна е~ — — 0,08%. Если полная деформация ограничена, то примерно такую же величину ~по модулю) будет иметь и силовая деформация е,. Так как эта величина лежит в интервале предельных удлинений, то ясно, что при резком нагреве или охлаждении на ФОО' С в стекле возможно образование трещин. Плавленый кварц имеет коэффициент линейного расширения примерно в 10 — 15 раз меньший.

Поэтому кварцевая посуда неизмеримо более стойка и резким изменениям температуры. Конструктивные свойства углеродистой стали сохраняются прпмерно до 600' С. Температурное удлинение при этом будет в~ — — а Л~=12 10 ' 600ж0,7%. Зта величина заметно превышает деформацию, соответствующую пределу упругости. Следовательно, в стали при высоких температурах возмоя'но возникновение пластических деформаций. Вместе с тем удлинение порядка 0,7% существенно меньше удлинения при разрыве. Поэтому трудно представить себе разрушение стальной детали вследствие температурного воздействия. Все сказанное можно сформулировать простым практическим правилом. Для пластичных материалов температурные напряжения сами по себе не опасны и при расчетах конструкции на прочность могут во внимание не приниматься. Влияние температуры при этом следует учитывать лишь постольку, поскольку меняются механические характеристики материала.

Для хрупких материалов температурные напряжения представляют существенную опасность и прп расчетах на прочность должны учитываться наравне с обычными напряжениями, Высказанное правило является достаточно универсальным и на практике в основном подтверждается. Вместе с Рис. 44 тем оно не может рассматриваться как исчерпывающее и допускает целый ряд исключений. Эти исключения обусловлены разными причинами. Прежде всего, пластичные и хрупкие свойства для одного и того же материала могут проявляться в разной степени в зависимости от условий, в которые этот материал поставлен. Хорошо известно, в частности, что при напря;кенном состоянии, близком к всестороннему сжатию, пластичность материала повышается, При напря".кенном состоянии всестороннего растяжения, наоборот, преобладающим становится свойство хрупкости.

В соответствии с этим меняется и восприимчивость материала к температурны д напряжениям, Сказанное можно проиллюстрировать примером, по. казанным на рис. 43. Стальной цилиндрический резер- Рис. 43. вуар заполнен органическим веществом, имеющим в твердом состоянии умеренную пластичность и обладающим высоким температурным расширением. По контактной поверхности имеет место прочное сцепление вещества со стальной стенкой. В процессе хранения температура системы может изменяться.

Прп охлаждении в массиве содержимого вещества образуется напряженное состояние всестороннего растяжения. Поэтому, несмотря на наличие достаточно высоких пластических свойств, ~а~ возможен либо отрыв вещества от стенки либо образование трещпн в самом веществе. Иногда вследствие копструктивных особенностей возник ает концентрация деформ аций, при которой возможно разрушение узла. Так, например, ва рпс. 44 показан стержень, имеющий выточку. Материал стержня — пластичный. Несмотря на зто, стержень при растяжении разрушится, очевидно, без заметного изменения длины 1. Если стержень закрепить по концам, а затея охладить, то также возможен его разрыв. Но в этом случае основную роль играет уже не особенность напряженного состояния в выточке, а величина отношения Га. При большом отношении Ра происходит концентрация деформации на небольшом участке длины.

Совершенно аналогичная картин!! имеет место и для двуслойной конической ооолочкп, показанной па рис. 45. Ь1атер!!а:! оболочек пластичны!!, Между ооодочками проложена те// Тепишзсляая- | плопзоляция. При на- греве вцешне!! ооолочки 'Д - /' возникают осевь|е тем/ пер атурные напряжения. Вследствие кон// центрации деформаций возможен разрыв внутренней оболочки нблпзи вер!пины по сечению АА.

Опасность разруРис. 45. шения может быть уст- ранена, еслп связь оболочек осуществить на некотором удалении от вер!пины. !1асто можно наблюдать температурное разру!пенне конструкции в зоне сварных !пвов.,")со явление объясняется в одних случаях снижением пластических свойств материала в результате сварки, а в других — особенностями напряженного состоянии, образующегося в зоне и!ва. На рпс. 46 показан тонкий цплиндричес!'ий сосуд, подкреплене$ый изнутри профиль!!ь!л!и шпангоутамп.

Соед!!не!!!!е шпангоута со стенкой производится точечной сваркой. П рп зя:!инее в сосуд Рис. 4~6. ся!и>кснного газа охлаж- дение шпанго~ Га пропсходит быстрее, чем оболочки. Сварные точки в этот момент работа!от на отрыв. Разрушение в зоне контакта происходит без заметных деформаций. '1'емпературная деформация в этих условиях не компенсируется пластической. Следовательно, несмотря на то, что материалы оболочки и шпангоута — пластичные, температурные напряжения, точнее, температурные усилия в сварных точках, являются определяющим фактором рабочего состояния контр укции Таким образом, значительная часть отступлении от сформулированного выше правила связана с тем, что в определенных условиях разрушение пластичного материала происходит без заметных пластических деформаций.

Отступления второго типа обусловлены циклическим нагревом и длительностью температурного воздействия. Достаточно очевидно, что температурные напряжения, не опасные для конструкции одноразового действия, мог ут оказаться решающими для оценки надежности конструкции при многократном нагреве. Следовательно, температурные напряжеппя должны приниматься во внимание для пластичного материала в том случае, если речь идет о ресурсе (сроке службы) теплонапряженных элементов. Температурная циклическая прочность существенно отличается от силовой. Это различие обусловлено рядом обстоятельств. Прежде всего, для температурного усталостного разрушения характерны режимы со сравнительно небольшим числом циклов и при сравнительно больших напряжениях. Так, если при решении обычных задач усталостной прочности мы оперируем с миллионами циклов, то в случае циклического температурного воздействия приходится иметь дело с десятками, сотнямп, самое большее с тысячами циклов.

Это не означает, конечно, что эффекты, связанные с циклическим температурным воздействием, не могут проявиться при малых напряжениях и соответственпо большом числе циклов. Просто для суждепия по этому поводу не имеется обьективных данных. Любая конструкция, как праьпло, обладает большой тепловой инерцией, и цикл температурных напряжений имеет сравнительно большую длительпость.

Если принять, например, что один цикл длится всего пять минут, то для миллиона циклов потреоуется около десяти л6т. Длительность температурного воздействия обусловливает для ряда металлов возможность структурных изменений — повышение хрупкости и снижение прочности.

Даже при неболыиом времени, но при достаточно высокой температуре в материале проявляется эффект ползучести и релаксацпп, что необычайно усложняет общую картину явления. В настоящее время температурная усталость исследуется в упрощенной постановке без учета указанных факторов. То обстоятельство, что образование пластических деформаций за температурный цикл происходит не в микро, а в макрообъемах, позволяет подойти к этому вопросу с позиций схемы сплошной среды.

Принимается следующая предпосылка: если после нескольких температурных циклов устанавливается циклический режим чисто упругих деформаций, то температурного усталостного разрушения при малом числе циклов не возникнет. Если же в условиях установившегося цикла регулярно образуются пластические деформации, то зто значит, что после некоторого числа циклов наступит разрушение.

Этот подход может быть пояснен следующим простым прпмером. Предположим, что имеется защемленный по концам стер>копь, который регулярно нагревается, а затем охлаждается до исходной температуры. Пусть диаграмма растя>кения — сжатия имеет вид кривой, показанной на рис. 47. Полная деформация с1ержня постоянно равна нулю. Следовательно, силовая деформация равна температурной, взятой с обратным знаком: е~=е +ела=О~ Примем, что стержень нагрет настолько, что силовая деформация изображается отрезком ОВ (рис.

47, а). В стержне возникает при этом напряжение сжатия. При охлаждении температурная и силовая деформации падают до нуля. Это изображается на диаграмме участком кривой ЛС. Для простоты принято, что пределы текучести на растяжение о,„и на сжатие о„от цикла к циклу не меняются (эффект Баушннгера не учитывается). При повторном нагреве получаем участок кривой СП. Иа последующих циклах образуется стабилизированная замкнутая кривая, свидетельствующая о возникновении в каждом цикле переменной пластической деформации. Следовательно, в соответствии с принятой предпосылкой, должен быть сделан вывод, что стержень после некоторого числа циклов разруп|ится.

При меньшей температурной деформации стабилизировавшаяся диаграмма нагрузки и разгрузки изображается прямой (рис, 47, б). Пластическая деформация цикла здесь остается постоянной, Переменной будет только упругая составляющая. В атом случае циклическое изменение температуры, если и приведет к разрушению, то только после значительно большего числа циклов. Рис. 47. Свойство системы сохранять постоянство пластической деформации в установившемся режиме циклического изменения температуры называется приспособляемостью. Б малым амплитудам изменения температуры система может «приспособиться», а к большим — нет.