Сварка в машиностроении.Том 3 (1041440), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Применяя композитные материалы, можно поднять рабочую температуру до 1100 — 1200' С. В первом приближении металлы можно сравнивать, используя понятие Т гомологической температуры, определяемой как се= —, где Т н Тпл — темпера7ил туры испытания я плавления, выраженные в градусах абсолютной шкалы. При а ~ 0,3 — 0,4 развитие пластической деформации, определяющее разрушение металла н осуществляемое движением н размножением дислокаций, приводит к деформацнонному упрочненню (наклепу) н возрастанию сопротивления ее развития.
Это упрочненне стабильно во времени, н поэтому свойства, полученные по результатам кратковременных механических испытаний, справедливы н для длительного нагруження металла конструкции в эксплуатации, Так как пластическая деформация локзлнзуется скольжением внутри зерен, то разрушение носит внутрнзеренный характер н для большинства конструкционных материалов сопровождается заметной деформацией прн разрыве. С ростом температуры повышается тепловая энергия колебания атомов н снижается прочность межатомных связей, что приводит н к снижению прочности металлов.
Его интенсивность зависит от вида металлз н его сплавов. Прочность ннзкоуглероднстой стали с 400' С резко снижается и прн 600' С становится весьма малой (рнс. 1, а). Легированне перлнтных сталей в первую очередь хромом, молибденом н ванадием несколько повышает нх прочностные характеристики, делая возможной длительную эксплуатацию до 550 — 580' С. Повышение прочности в интервале 500 — 600' С аустенитной хромоннкелевой стали связано с изменением структурного состояния (рнс. 1, б). В интервале 650 — 850' С наиболее эффективно использовать жаропрочные сплавы на никелевой основе (рнс, 1, в). С ростом темперзтуры увеличивается интенсивность диффузионных процессов в металле, что делает его наклепанное состояние нестабильным и приводит к разупрочненню н восстановлению исходных свойств. В зависимости от температуры последнее может осуществляться механизмами возврата н рекрнсталлизацнн.
При возврате восстановление свойств не сопровождается видимыми изменениями структуры металла; прн рекрнсталлнзацин оно связано с образованием новых недеформнрованных зерен. Процессы возврата проходят прн средних гомологических температурах (0,25 — 0,5 Т„,), что соответствует уровню рабочнхтемператур высокотемпературных установок. Рекрнсталлизация развивается при более высоких температурах (0,4 — 0,8 Т„) н сопровождается резким снижением прочности металла, Поэтому верхняя темйературная граница эффективного прн- 125 124 Жаронрочность сварных соединений Свойства основного металла 40 Рис.
1. Механические свойства сталей и сплава на никелевой основе при высоких температурах: а — сталь 15; б — сталь Озх! 8Н10; хнзотБю менения того или иного материала расположена ниже температуры его рекристаллизации. Развитие процессов возврата приводит к влиянию скорости нагружения на свойства металла, проявляющемуся в снижении его прочности с уменьшением скорости деформации и изменении Вв Я7с/чн 1 4Х пластичности !1, 10, 11]. Оно обусловливает также процесс ползучести— способность материала непрерывно де- 00 формироваться (ползти) под действием постоянной нагрузки. Процессом, родственным ползучести, является релак- 40! сация, приводящая к переходу упругой деформации в пластическую при условии постоянства суммарной деформации нагруженного элемента.
В крепежных элементах релаксация приа) водит к ослаблению затяжки болтов. В сварных конструкциях развитие процесса релаксации определяет эф- 00 фективность снятия сварочных напряжений при термической обработке !3). Протекание процесса высокотембб пературной ползучести во времени приводит к исчерпанию деформационной способности и разрушению материала, закономерности поведения которого определяются зависимостями 0 0) длительной прочности и пластичности.
При их определении широко используют предложенную А. В. Станюкови- 00 чем степенную зависимость типа Ю = Во а, где 1 — время до разрушения; 00 В и и — постоянные. На рис, 2 эта зависимость выражена в виде наклонной прямой, что позволяет приближенно экстраполировать результаты относительно кратко- И .бв временных испытаний на длительный срок службы. Для получения достоверных данных такой экстраполяции максимальная длительность испытании должна быть не менее чем на порядок меньше расчетного срока службы.
Для стационарных энергетических установок при сроке службы 10б длительность испытаний должна быть не менее 104 ч. Основной расчетной характеристи- кой прочности металла и сварных соединений при высоких температурах является предел длительной прочности ох„, соответствующий пзпряжению, вызывающему разрушение при данной температуре за расчетный срок службы (обычно 10з — 2 10б ч для стационарных и 10з, 1Оз и 104 ч для транспортных установок). Длительность высокотемпературных испытаний можно сократить, используя параметрические зависимости типа показанной на рис.
3 [4). Для ее построения необходимо иметь результаты нескольких относительно кратковременных ис- б, нгс/мН' бб гб гб 1б Рис. 2. Длительная прочность металла шва, наплавленного электродами типа Э-09Х(МФ (марки ЦЛ-20М). Температура испытания: Π— 500'С; °вЂ” 565'С; д — 600'С 11 '10 в 10" 10' 10' сч испытаний с постоянной скоростью деформации !10). При относительно низких температурах Тт (рис. 4, а) и прохождении внутрикристаллического разрушения пластичность с уменьшением скорости деформации о (с увеличением длительности работы) меняется сравнительно мало.
С повышением температуры до Т, и уменьшением скорости деформации наблюдается переход к межзеренному излому, сопровождаемый снижением пластичности до определенного значения, В координатах !я 5 — Т зависимости изменения пластичности имеют вид Ч-образных кривых с минимумом, смещающимся в область более низких температур с уменьшением скорости деформации (рис. 4, б). Провалы пластичности обычно наблюдаются в интервале рабочих температур н поэтому должны учитываться при анализе работоспособности изделий. Пластичность перлитных сталей заметно падает в интервале 500 — 600' С, аустенитных сталей при 550 — 650' С и сплавов на никелевой основе при 600 — 750' С.
С повьпиением легирования и прочности стали или сплава, ростом зерна и при наклепе снижение пластичности в температурном интервале хрупкости становится все более заметным. Пластичность резко уменьшается при наличии концентраторов напряжений, что можно оценить по результатам испытания образцов с надрезом. Для сварных соединений, в связи с практической невозможностью исключения в них концентраторов, закономерности изменения длительной пластичности необходимо изучать особо тщательно.
На жаропрочность металлов влияют их структурное состояние и его стабильность во времени. Аустенитные стали с гранецентрированной кубической решеткой, обладая более высокой температурой рекристаллизации, чем перлитные стали с объемноцентрированной решеткой, можно применять как жаропрочные материалы при температурах на 100 †1' С выше.
Для металлов, предназначенных к использованию при высоких температурах, характерны два вида структурного упрочнения: 1) образование твердого раствора с введением элементов, повышающих гемпературу рекристаллизации пытаний на длительную прочность при рабочей температуре и температурах на 50 — 100' С выше ее.
Подобная параметрическая обработка позволяет приближенно оценить предел длительной прочности за заданный срок службы в определенном интервале температур. В верхней части рисунка приведеяо дополнительное построение для определения температуры и длительности работы. С повышением температуры и длительности испытания (см. рис. 2) наблюдается перегиб кривых длительной прочности, связанный с переходом от вязкого внутризеренного к хрупкому межзеренному излому. Этот переход приводит не только к снижению длительной прочности. Он обусловливает также повышенную вероятность преждевременных хрупких разрушений конструкций, особенно при наличии в них концентраторов напряжений. В связи с этим необходимо знать закономерности изменения длительной пластичности и условия, приводящие к ее снижению.
Изменение длительной пластичности со временем и температурой подчиняется определенным закономерностям, наиболее полно выявляемым в условиях 127 126 Жаропрочность сварных соединений Сво11ства сварнык соединениг7 и снижающих интенсивность диффузионных процессов в сплаве; 2) получение высокодисперсной смеси фаз путем закалки многокомпонентного сплава и последующего отпуска. Для промышленных металлов характерно одновременное использование упрочнения обоих видов. Его стабильность во времени, определяемая степенью развития процесса т, с 7 б 5 Рис.
4. Изменение длитель ной пластичности при высо ких температурах: а — удлинение — скорость деформации; б — удлинение— температура Многие ответственные высокотемпературные конструкции работают в условиях повторного или малоциклоного нагружения при переменных температурах и сложном напряженном состоянии. При оценке их прочности и ресурса работы необходимо учитывать накопление повреждаемости по двум механизмам: ползу- чести и усталости. Примерами малоциклового повреждения сварных узлов являются разрушения штуцерных соединений труб с коллекторами котлов, мест приварки ранжирующих элементов к трубам. СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Требуемые свойства металла и сварных соединений для высокотемпературных установок зависят от условий их эксплуатации.
Для большинства из них основными являются показатели стабильности свойств и длительной прочности и пластичности„определяющие вероятность разрушения данного узла за срок 551 гаага 50 75 15 10 17 1б 1О 70 Л Р=Т(10+!уф) Рис. 3. Параметрическая зависимость дл ительной прочности металла шва, наплавленного электродом типа Э-09Х1МФ (обозначения точек см. рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
