СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ................................................... 5
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................. 7
§1. Условия возникновения и виды напряженного....
состояния ....................................... 7
§2. Термические напряжения .......................... 8
2.1. Условия возникновения термических напряжений. 8
2.2. Кинетика формирования термических напряжений 9
§3. Проявление термических напряжений при термической обработке и эксплуатации металлических изделий ........................................... 12
3.1. Разрушение при термической обработке............ 13
3.2. Разрушение при эксплуатации..................... 15
3.3. Деформация при термической обработке и эксплуатации металлических изделий........................ 17
3.4. Влияние напряжений на прочностные и электрофизические свойства металлов и сплавов 19
3.5. Проявление напряжений при фазовых превращениях в металлах и сплавах............................... 22
§4. Методы определения напряжений в твёрдых телах 25
§5. Обсуждение литературных данных и постановка
задачи исследования............................. 28
ГЛАВА П. МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ .................................................. 38
§1. Исследование влияния термических напряжений на кинетику мартенситных превращений в углеродистых сталях ................................... 33
1.1. Определение кинетики формирования напряжений
- 3 -
при торцевой закалке стальных цилиндров 33
1.2. Измерение температуры и величины прогиба исследуемой отсечённой части стальных цилиндров
при их торцевой закалке............................. 38
1.3. Материалы для исследования и форма образцов... 40
1.4. Принципиальная электрическая схема измерений перемещений и температуры исследуемой части цилиндра ................................................ 42
1.5. Исследование распределения мартенсита и твёрдости по оси закалённых цилиндров........................ 43
§2. Дилатометрическое исследование процессов закалки стальных образцов........................... 46
§3. Исследование кинетики температурных изменений в металлических телах при высокоинтенсивных температурных воздействиях на их поверхность.. 48
§4. Исследование влияния временных термических напряжений на характер изменения термоэдс термопар при воздействии тепловых ударов на рабочий спай.................................................... 52
4.1. Измерение термоэдс хромель-алюмелевых (ХА) и хромель-копелевых (ХК) термопар при воздействии тепловых ударов на рабочий спай................ 52
4.2. Измерение термоэдс ХА и ХК термопар при воздействии тепловых ударов только на один из термоэлектродов ............................................ 53
4.3. Измерение температурных изменений внутри термоэлектродов при тепловых ударах.......................... 53
§5. Измерение температурной зависимости модуля
Юнга................................................ 54
§6. Измерение коэффициента термического расширения
- 4 -
в интервале температур 300+1300 К ................... 55
§7. Измерение температурной зависимости коэффициента теплопроводности....................................... 58
§8. Математическая обработка экспериментальных результатов................................................. 59
ШАМ Ш. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 62
§1. Температурная зависимость модуля Юнга................ 62
§2. Температурная зависимость коэффициента теплового расширения............................................. 64
§3. Температурная зависимость теплопроводности 67
§4. Результаты дилатометрических исследований 70
§5. Влияние временных термических напряжений на кинетику мартенситных превращений в углеродистых
сталях............................................... 71
§6. Кинетика температурных изменений в металлических телах при воздействии тепловых ударов на их поверхность ................................................ 80
§7. Влияние временных термических напряжений на показание ХА и ХК термопар.................................. 87
ШАВА 1У. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬИЫХ ИЕЗУЛЬТАТОВ 92
§1. Влияние временных термических напряжений на мар-
тенситное превращение в углеродистых сталях 92
§2. Влияние временных термических напряжений на кинетику температурных изменений внутри металлических тел при тепловых ударах .......................... 102
§3. Влияние временных термических напряжений на показание ХА и ХК термопар..................................109
ВЫВОДЫ......................................................... 112
ЛИТЕРАТУРА..................................................... 115
ВВЕДЕНИЕ
Современный научно-технический прогресс предъявляет повышенные требования к конструкционным материалам, работающим при жёстких режимах эксплуатации. Одним из таких режимов является высокоинтенсивное температурное воздействие на поверхность металлических тел, которое часто встречается в практике термической обработки и при эксплуатации деталей машин и механизмов. При этом различная скорость изменения температуры по сечению материала вызывает появление временных термических, а при наличии фазовых превращений - и структурных напряжений, которые, в конечном счёте, определяют величину и знак остаточных напряжений в изделии. Накопленный опыт в практике термической обработки металлов и эксплуатации металлических изделий не всегда позволяет контролировать величину возникающих напряжений, что может привести к разрушению или к недопустимой деформации изделий. Это связано с тем, что известные способы определения напряжений в твёрдых телах разработаны для нахождения величины остаточных напряжений и в своём большинстве не позволяют проследить кинетику формирования напряжений в процессе температурного воздействия на поверхность металлических тел. Знание же кинетики протекания и величины временных термических напряжений позволит более качественно проводить термическую обработку, управлять остаточными напряжениями и избежать преждевременного выхода из строя деталей, подверженных высокоинтенсивному температурному воздействию. Поэтому разработка и усовершенствование экспериментальных методов исследования кинетики формирования напряжений в процессе температурного воздействия на поверхность металлических тел в настоящее время не утрати-! ла свою актуальность.
Известно, что напряжения в металлах приводят к изменению
- 6 -
их прочностных, электро- и теплофизических свойств. Однако в литературе практически отсутствуют сведения о влиянии временных термических напряжений на свойства металлических тел. Вместе с тем, нет единого мнения о механизме воздействия термических напряжений на фазовые превращения в процессе термической обработки металлических изделий.
Таким образом, исследование кинетики формирования термических напряжений и их проявлений в металлических телах в процессе температурного воздействия на их поверхность является необходимым шагом в изучении напряжённого состояния вещества.
В настоящей работе изложена методика и результаты исследований воздействия термических напряжений на кинетику мартен-ситных превращений при торцевой закалке цилиндров из углеродистых сталей, а также рассмотрено влияние возникающих термических напряжений на характер температурных изменений внутри металлических тел и на термоэлектрические свойства термоэлектродных материалов термопар при тепловых ударах нагрева и охлаждения.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Способ экспериментального исследования влияния кинетики формирования термических напряжений на мартенситное превращение в углеродистых сталях.
2. Механизм воздействия термических напряжений на кинетику мартенситного превращения в углеродистых сталях.
3. Результаты исследования аномального изменения температуры внутри металлических тел при тепловых ударах и анализ причин этой аномалии.
4. Установление аномального изменения термоэдс термоэлектродных материалов термопар при тепловых ударах и анализ причин этой аномалии.
7
ГЛАВА I
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
§ I. Условия возникновения и виды напряженного состояния
Согласно определения [I] , механические напряжения в твёрдых телах являются мерой внутренних сил, возникших в материале как результат упругой деформации, вызванной внешними по отношению к рассматриваемому элементу тела факторами. В простейшем случае таким внешним фактором, приводящим к появлению напряжений в твёрдых телах, является непосредственное механическое воздействие окружающей среды на рассматриваемое тело в результате различных технологических процессов изготовления и обработки, а также при эксплуатации изделий.
Напряжения в твёрдых телах могут быть вызваны и немеханическими воздействиями: тепловыми, магнитными и другими. В этом случае упругая деформация кристаллической решётки, а следовательно и напряжения, возникает в результате силового взаимодействия отдельных элементов внутри твёрдого тела.
Напряжения, действующие в твёрдых телах в каждый момент внешнего воздействия, согласно [2] , принято называть временными напряжениями, а те напряжения, которые сохраняются в твёрдом теле после окончания действия внешних факторов - остаточными напряжениями.
В зависимости от протяжённости силового поля, вызывающего упругую деформацию кристаллической решётки различают остаточные напряжения трёх видов:
1. Напряжения 1-го рода (макронапряжения) - уравновешивающиеся в объёмах одного порядка с размерами самого тела.
2. Напряжения 2-го рода (микронапряжения) - уравновешивают-
_ 8 -
ся в объёмах одного порядка с размерами отдельных кристаллитов.
3. Напряжения 3-го рода (элементарные) - уравновешиваются в объёмах одного порядка с элементарной кристаллической ячейкой.
Такая классификация остаточных напряжений по протяжённости силового поля была впервые сформулирована Н.Н.Давиденковым [3] .
Классификация остаточных напряжений по рентгеновским признакам, ввиду своей неоднозначности [4], не получила широкого распространения.
§ 2. Термические напряжения
Термические напряжения относятся к напряжениям 1-го рода и в связи с большой распространённостью представляют как научный, так и практический интерес.
2.1. Условия возникновения термических напряжений
Б зависимости от условий взаимодействия рассматриваемого твёрдого тела с окружающей средой термические напряжения можно разбить на два вида:
1) Термические напряжения, обусловленные наложением внешних механических связей, ограничивающих свободную деформацию тела при равномерном изменении температуры по его объёму. Величина возникающих напряжений в этом случае может быть найдена, согласно [5,6] , по формуле:
б=-«С-Е-(Тг-Ъ), (I)
где: об - коэффициент теплового расширения, Е - модуль Юнга, Т< и Тг - температуры исходного и конечного состояний рассматриваемого тела.
2) Термические напряжения, возникающие в результате неравномерного изменения температуры по объёму тела без наложения внешних механических связей. Различные объёмные изменения смежных областей, претерпевающих неодинаковые температурные измене-
- 9 -
ния приводят к появлению силового взаимодействия между ними, что и вызывает появление термических напряжений в сечении тела. Эти напряжения уравновешиваются в объёме тела и, как остаточные напряжения, относятся к внутренним напряжениям [2,7] . Величина и характер таких термических напряжений зависит от кинетики температурных изменений по объёму тела, его размеров и формы, коэффициентов теплопроводности и теплопередачи.
В процессе охлаждения величина термических напряжений в значительной мере определяется скоростью охлаждения и температурой исходного нагретого состояния^Согласно [8] , термические напряжения в стальных образцах резко возрастают начиная с температуры нагретого состояния Т0> 500°С и увеличиваются с повышением скорости охлаждения.
2.2. Кинетика формирования термических напряжений Основные закономерности образования термических напряжений в случае равномерного изменения температуры тела при наложении внешних механических связей изложены в работе [5] . Величина возникающих термических напряжений пропорциональна изменению температуры тела и с учётом температурной зависимости модуля Юнга £ и коэффициента теплового расширения сС может быть определена по формуле (I). Если в процессе изменения температуры тела термические напряжения превысят предел упругости материала, то произойдёт пластическая деформация, что, при возвращении к исходному температурному состоянию, приведёт к образованию остаточных термических напряжений.
При отсутствии внешних механических воздействий в процессе изменения температуры тела, как было показано в п.п. 2.1.2), возникновение термических напряжений обусловлено силовым взаимодействием смежных областей тела вследствие различия в кинетике их температурных изменений. Кинетику формирования термичес-
- 10 -
ких напряжения при отсутствии фазовых превращений в процессе изменения температуры тела можно на примере охлаждения металлического цилиндра представить в следущем виде [8,9] . В начальный ( промежуток времени воздействия охлаждающей среды на поверхность цилиндра наружные его слои, охлаждающиеся быстрее, будут растянуты, а сердцевина под действием более холодных наружных слоев будет сжата (рис. I, Т = Т/). При достижении поверхностью температуры близкой к температуре охлаждающей среды интенсивность охлаждения наружных слоёв резко уменьшается и их дальнейшая температурная деформация практически прекращается. Внутрилежащие слои цилиндра, имеющие более высокую температуру продолжают интенсивно охлаждаться, изменяя при этом объём. Если в начальный промежуток времени охлаждения ( Т = Т/) наружные слои металла были пластически деформированы, то в некоторый момент времени (Т = Ъг) при ещё достаточно высокой температуре внутрилежащих слоёв металла наступит равновесие между наружными слоями и оерд-цевиной и напряжения в цилиндре будут равны нулю. При дальнейшем охлаждении наружные слои цилиндра будут деформироваться незначительно, а сердцевина стремится существенно сократиться. Поэтому сердцевина будет сжимать наружные слои, которые в свою очередь будут растягивать сердцевину ( Т = Тз) •
При наличии фазовых превращений в процессе изменения температуры тела кинетика формирования напряжений резко усложняется. Это связано с тем, что одновременно с формированием термических напряжений возникают структурные напряжения, обусловленные неравномерными по сечению тела фазовыми превращениями. Совместное появление термических и структурных напряжений в процессе изменения температуры тела может привести к неоднократному изменению величины и знака суммарных напряжений по объёму твёрдого тела в процессе изменения его температуры [10] .
- Київ+380960830922