книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

текучести при предельных температурах испытаний (т. е. комнат­ ная температура и температура 704° С для испытаний). Деформа­ ции, соответствующие пределу текучести, вычислены путем деле­ ния напряжений, равных пределу текучести (сго.г), на модуль упругости при соответствующей температуре. Константы для

поперечного сечения растягиваемых образцов, применяемых для определения пластичности при наименьшей и наибольшей темпе­ ратурах испытаний диска. Расчетная долговечность для каждого материала и условий испытания дана в графах 4 и 5 табл. 7.3. Можно проверить правильность расчета циклической долговеч­ ности, отметив (графы 6 и 7) длину трещины у основания надре­ зов при расчетном числе циклов до разрушения (графы 4 и 5).

Во всех случаях при расчетной долговечности трещины уже существовали и (за исключением сплава 16-25-6, подвергнутого термомеханической обработке) длина их очень небольшая, что указывает на недавнее их возникновение. В диске из сплава 16-25-6 трещина распространилась довольно глубоко при числе циклов, равном расчетному числу циклов до разрушения.

Учитывая, однако, что расчеты основаны на данных испытаний образцов на растяжение (при очень высокой скорости распростра­ нения трещины), а экспериментальные результаты получены на дисках с надрезом (скорость распространения трещины ниже) и имея в виду приближения, использованные при определении констант в уравнениях долговечности, и поправки для упругих деформаций, можно считать, что результаты экспериментов и расчетов, основанных на данных о растяжении, достаточно хорошо согласуются.

Влияние надрезов. Долговечность дисков с надрезами на ободе и без надрезов видна из табл. 7.4, где представлены данные о чис­ лах циклов, необходимых для получения трещины определен­ ной глубины для каждого материала при различных условиях испытания. В большинстве испытаний деформация была 0,0079 и только в трех случаях 0,0074. Для надрезанных и гладких дисков дано число циклов, необходимое для получения трещины глубиной 0,61 мм, Л^о.бь Для гладких дисков также указано число циклов, необходимое для получения трещины глубиной 0,05 мм.

и 706° С и без выдержек. Для гладких образцов приведены дан­ ные испытаний дисков с шлифованной и полированной поверх­ ностью (полирование выполнялось наждачной бумагой № 600). При наличии надреза значительно снижается долговечность диска. Коэффициенты снижения находятся в пределах от 6 до 50. Даже после удаления мелких поверхностных дефектов полированием

для образцов без надрезов приведены только для трещины с наибольшей скоростью

разования трещины длиной 0,05 мм.

Стадия микроразрушения — это период образования субмцкроскопических трещин, их роста и слияния в трещины, видимые невооруженным глазом в микроскоп с малым увеличением. Стадия макроразрушения — это период образования доминирующей ма­ гистральной трещины и ее роста. В проведенных испытаниях пер­ вая стадия определялась временем, необходимым для достижения трещины глубиной 0,05 мм. При этом различие в характеристиках сплавов было небольшим, и число циклов до образования микро­ трещин (первая стадия) в дисках с надрезами для всех сплавов было примерно одинаковым. На стадии макроразрушения раз­ личие в характеристиках..определялось особенностями самих сплавов.

На стадии макроразрушёния сплавы могут быть охарактери­ зованы числом циклов, необходимым для достижения заметной

сравниваются материалы по скорости роста трещины в момент достижения глубины 0,61 мм. Видно, что в сплавах А-286 и ди-

пытания значительно ниже, чем в сплаве тимкен 16-25-6. Отметим также изменение относительного расположения характеристик подвергнутого термомеханической обработке и перестаренного тимкен-сплава 16-25-6 в испытаниях при максимальной темпера­ туре обода 593 и 704° С, соответственно. Очевидно, скорость роста является сложной функцией температуры.

7.4. МАТЕРИАЛЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Рассматривая материалы в условиях действия температурных напряжений, необходимо остановиться на некоторых материалах со специфическими характеристиками.

7.4.1. Материалы типа графита. Графит — один из наиболее интересных высокотемпературных материалов в современной тех­ нике. Даже в обычном виде он обладает хорошими характеристи­ ками при действии температурных напряжений, а недавно со­ зданные разновидности имеют еще лучшие свойства. Ниже рас­ смотрены материалы на основе графита.

7.4.2. Нормальный графит. Обычно графит имеет гексагональ­ ную кристаллическую решетку. Несмотря на продолжительную историю развития графита как инженерного материала, производ­ ство его является своего рода индивидуальным искусством раз­ личных изготовителей. Поэтому свойства материала могут суще­ ственно различаться, причем отличия зависят от исходного сырья и от особенностей процесса изготовления. В. соответствии с этим невозможно рассматривать свойства графита, не затрагивая осо­ бенностей изготовления материала. Вместе с тем, данные о не­ которых типичных характеристиках могут служить для качествен­

ного анализа причин, обеспечивающих преимущество графита при действии теплового удара и для указания направлений возможных улучшений.

Прочность. Графит — один из нескольких материалов, кото­ рые имеют необычную характеристику, а именно: увеличение проч­ ности с повышением температуры. Прочность приблизительно удваивается с увеличением температуры от нуля до 2480° С. В противоположность этому прочность тугоплавких металлов уменьшается с повышением температуры. Поэтому, хотя графит обладает малой прочностью при комнатной температуре, по проч­ ности он превосходит даже вольфрам при температуре около 2090° С. Превосходство его при высокой температуре еще более заметно, если сравнить отношения предела прочности к весу (удельную прочность), а не пределы прочности. Удельный вес графита (приблизительно 1,8 гс/см3 у графита промышленного применения) значительно ниже удельного веса вольфрама (19,3 гс/см3). При 2480° С вольфрам должен был бы иметь предел прочности при растяжении 35,2 кгс/мм2 при одинаковой с графи­ том удельной прочности. Обычный прессованный графит не пла­ вится; он сохраняет некоторую прочность вплоть до температуры 3645° С, при которой графит сублимирует. Верхняя предельная температура применения графита составляет около 2760° С.

Тепловое расширение. Коэффициент теплового расширения графита в значительной степени зависит от метода его изготовле­ ния. Для материалов промышленного применения его значения отличаются на порядок при комнатной температуре, а для графи­ тов, используемых как конструкционные материалы, — в 2 раза. Графит обладает анизотропией коэффициента теплового расшире­ ния, причем он меньше в направлении оси зерен.

Значения коэффициентов теплового расширения графита ока­ зываются сравнительно небольшими даже по сравнению с кера­ мическими материалами. Коэффициент теплового расширения графита равен 1,8-10_6 1/°С (может увеличиваться до 3,6-КГ6 1/°С приблизительно линейно с увеличением температуры до 2480° С), а для таких керамических материалов, как окиси алю­ миния и бериллия в температурном диапазоне 21—983° С равен 7,2 -10_6 1/°С. Высокое сопротивление графита действию тепло­ вого удара в значительной степени объясняется низким коэффи­ циентом теплового расширения.

В работе [7.17] сделано предположение, что малое тепловое расширение графита обусловлено высокой пористостью и при по­ вышении температуры компенсируется за счет закрытия микро­ пустот, а не изменения объема. Это объяснение подтверждается следующими фактами: 1) самыми высокими коэффициентами рас­

материала компенсировать тепловое расширение. Это может также быть объяснением увеличения коэффициента расширения с уве­ личением температуры, так как постепенное закрытие пор сни­ жает способность к компенсации расширения.

Теплопроводность. Высокая удельная теплопроводность гра­ фита играет значительную роль в его исключительном сопротив­ лении тепловому удару. При комнатной температуре его теплопро­ водность, равная приблизительно 108—144 ккал/ч-м°С, сравнима с теплопроводностью ВеО и алюминия. Она почти в 5 раз превы­ шает теплопроводность А120 3. Хотя при увеличении температуры до 2480° С теплопроводность графита падает до 0,1—0,3 значе­

0,07 -10^—0,14 - 104 кгс/мм2 при измерении в направлении зерен) также играет заметную роль в высоком сопротивлении графита тепловому удару. Значения модуля упругости графита, действи­ тельно, очень малы при сравнении с А120 3 и ВеО и различными керамическими материалами, для которых модуль упругости со­ ставляет примерно 3,5-104 кгс/мм2. Хотя модуль упругости гра­ фита увеличивается с повышением температуры (приблизительно на 20% при 1980° С), а модуль упругости большинства других материалов уменьшается, это увеличение не умаляет превосходства графита над другими материалами по характеристикам сопротив­ ления тепловому удару.

Сопротивление тепловому удару. Хорошая характеристика графита в условиях теплового удара обеспечивается не каким-либо отдельным свойством, а благодаря сочетанию всех свойств, опре­ деляющих температурные напряжения и критерии сопротивления тепловому удару. Если важнейшие характеристики графита при

ка/Еа = 0,98-105 ккал/ч-м.

7.4.3. Предельный удельный вес графита. Удельный вес про­ мышленного графита равен 1,4—1,8 гс/см3. Исследования Нацио­ нальной Компании по углероду привели к созданию эксперимен­ тальных образцов с удельным весом в пределах от 0,7 до 2,19 гс/см3. Так как теоретический удельный вес равен 2,26 гс/см3, то можно ожидать, что материал с предельным удельным весом имеет исклю­ чительно высокую прочность. Высокая плотность такого мате­ риала достигается с помощью процесса горячего прессования, а не

обычным методом пропитки смолами и пеками для заполнения

терии разрушения в направлении зерна о/Еа = 5860° С и ка1Еа= = 7,43-105 ккал/м-ч, в поперечном направлении а/Еа, = 3040° С и ка/Еа = 2,18-10® ккал/м-ч.

Превосходство этого материала над материалом обычного ка­ чества по сопротивлению действию температурных напряжений кажется весьма вероятным. В тех случаях, когда необходима высокая удельная прочность, также желательно иметь хорошие критерии разрушения. Такие материалы находятся в еще более ранней стадии разработки, чем материалы с высокой плотностью. Материал на основе графита с максимальной удельной прочностью имеет удельный вес 0,72 гс/см3, о = 2,39 кгс/мм2 и Е = 0,081 X X 104 кгс/мм2.

7.4.4. Пирографит. Пирографит — это кристаллическая форма графита, осаждающегося из каменноугольных паров на со­ ответствующей подложке при температуре 1982° С. Он отли­ чается от нормального графита в основном расположением осно­ вных плоскостей. В то время как в кристаллах обычного гра­ фита каждая плоскость имеет определенное положение относи­ тельно соседних, плоскости в кристаллах пирографита располо­ жены беспорядочно. Подобная произвольность в расположении плоскостей нарушает периодическое повторение атомов в направ­ лении, перпендикулярном к слоям, и значительно изменяет эти свойства, которые зависят от правильности строения атомной ре­ шетки. Например, теплопроводность в нормальном направлении равна (0,2—0,1) теплопроводности в направлении, параллельном основным плоскостям; электропроводность тоже равна (0,01— 0,001) электропроводности в направлении основных плоскостей. Беспорядочное расположение атомов в решетке обеспечивает также снижение газопроницаемости. В процессе получения пирографита может быть достигнут очень высокий удельный вес (2,22 гс/см3)

и те характеристики, на которые влияет плотность, будут повы­ шены. Например, прочность (измеренная в направлении, парал­ лельном основным плоскостям), увеличится в 5 раз и более. Окон­ чательно не исследованы пределы, в которых изменение свойств положительно влияет на сопротивление тепловому удару. Сни­ жение теплопроводности в перпендикулярном к слоям направле­ нии, несомненно, является нежелательным эффектом, однако вы­ сокая прочность в направлении расположения плоскостей жела­

Истинная оценка этого материала может быть получена только экспериментальным путем с учетом условий применения мате­ риала. Можно предполагать, что этот материал будет активно при­ меняться при высоких скоростях нагрева.

7.4.5. Дисперсный графит. Хотя графит обладает очень высо­ ким сопротивлением действию теплового удара, его сопротивле­ ние эрозии и окислению может быть охарактеризовано только как удовлетворительное. Если графит вкраплен в матрицу инертного эрозионностойкого материала, то полученный материал сочетает хорошие характеристики обоих компонентов. Таким материалом является карбид кремния, являющийся основой промышленного материала ОКБ [7.13]. Теплопроводность материала, содержа­ щего 20% свободного углерода, 86,7 ккал/ч-м-°С при 204° С. Коэффициент теплового расширения определяется содержанием 5Ю; он равен2,79* 10_61/°Св диапазоне 21— 198°С и увеличивается до 4,86-10'° 1/°С в диапазоне21—1350°С. При 982°С предел проч­ ности при изгибе равен 6,12 кгс/мм2, модуль упругости 2,1 X X 104 кгс/мм2, удельный вес 2,8 гс/см3. Величина о1Еа равна приблизительно 67° С, а ка/Еа = 2,52 - 103 ккал/ч-м. Если это значение сравнить с соответствующей характеристикой графита нормальной плотности при 1962° С (0,98-103 ккал/ч-м), то оче­ видно, что сопротивление тепловому удару значительно снижается при сочетании графита с карбидом кремния. Это снижение глав­ ным образом связано с увеличением модуля упругости.

7.4.6. Графит с защитным покрытием. Другим методом улучше­ ния сопротивления графита окислению является метод покрытия тугоплавким компонентом. Данные многих исследователей, опи­ сывающих характеристики слоистого графита, систематизиро­ ваны в работе [7.19]. К числу лучших материалов, применяемых в качестве покрытия, относятся 51С и 513Ы4, силицированный 51С. Другое интересное покрытие состоит из трех слоев: верхнего из алюминия и кремния, среднего из молибдена, кремния и алю­ миния и нижнего, в основном, из дисилицида молибдена. Согласно ранее полученным результатам, это покрытие обладает хорошим сопротивлением действию теплового удара при выдержке около 0,5 ч при температуре 1900°С и является достаточно пластичным.

Дальнейшее исследование проводили на материале с покры­ тием из карбида, силицида или металлического сплава, нанесен­ ного с помощью электрофореза, проводимого при постоянном дав­ лении в диапазоне 7,0—70,3 кгс/мм2 и контролируемой атмо­ сфере. Значительный прогресс достигнут различными изготови­ телями в технологии процессов покрытия окиснозащитными ма­ териалами, которые не изменяют свойств графита до высоких температур и в условиях теплового удара.

7.4.7. Графитовая ткань. Графитовая ткань имеет как мини­ мум 99,9% углерода и обладает необходимыми для графита харак­ теристиками, при этом она очень эластична [7.19]. В связи с вы­ сокой прочностью, увеличивающейся с повышением температуры,

она может быть использована как несущий материал для пласти­ ков, керамических материалов или как тугоплавкий материал в условиях высоких температур для таких элементов, как сопла ракет и носовые конуса.

7.4.8. Материалы с низким коэффициентом теплового расши­ рения. Так как коэффициент расширения входит в оба критерия сопротивления разрушению при тепловом ударе и от действия температурных напряжений а/Еа и ка/Еа, то чем ниже коэффи­ циент расширения а, тем выше сопротивление материалов разру­ шению при неравномерном распределении температуры, другие свойства остаются одинаковыми. Когда а = 0, температурные напряжения не будут возникать при любом неравномерном рас­ пределении температур. Существуют некоторые материалы, у ко­ торых тепловое расширение может быть очень низким; однако преимущество их в сопротивлении тепловому удару не всегда обеспечивается, поскольку другие параметры для этих материа­ лов (к, а и Е) могут иметь неблагоприятные величины. Например, уровень прочности таких материалов обычно низкий, так как малое тепловое расширение характеризует материалы с большим количеством микропустот, которые закрываются или открываются с увеличением и уменьшением температуры соответственно. В этом случае температурное расширение компенсируется внутри мате­ риала без изменения размеров. Однако именно в связи с наличием пор можно ожидать низкую прочность.- Низкая прочность не только ограничивает-сопротивление температурнымнапряже­ ниям, но также снижает сопротивление механическому нагруже­ нию. Тем не менее потеря прочности не полностью снимает полез­ ный эффект малого расширения. Существует много вариантов ис­ пользования материалов, низкий коэффициент теплового расшире­ ния которых является особенно ценным свойством.

7.4.9. Кварцевое стекло. Плавленный ЗЮ 2 — материал, обычно применяемый в условиях теплового удара. При низком значении коэффициента теплового расширения, равном примерно 0,503-10"6 1/°С (21—648° С), пределе прочности при изгибе около

расширения при -отсутствии высокой концентрации напряжений. Хотя точка плавления кварца около 1717° С, верхний темпера­ турный предел ограничен 982° С из-за расстеклования. Сопротив­ ление ползучести кварца при этой температуре очень мало, и его нельзя использовать при нагружении значительным постоянно действующим усилием.

7.4.10. Керамйческое стекло. Этот материал, известный в про­ мышленности как пирокерамический, появился недавно. Мате­ риал состоит из основной массы силикатного стекла (аморфный) и осажденного литиево-алюминиевого силиката 1Л2А1251в0 16 (кристаллитный). Кристаллитную фазу получают, подвергая кон-

тролируемый состав термообработке в определенной последова­ тельности. Сначала смесь охлаждается из расплавленного состоя­ ния, превращаясь в аморфный материал. Искусственные субмикроскопическиё ядра вводят после остывания смеси, затем мате­ риал разогревают повторно, после чего происходит рекристалли­ зация литиево-алюминиевого силиката. В зависимости от состава и термообработки могут быть достигнуты самые высокие свойства по прочности и коэффициенту расширения.

Предел прочности при изгибе может быть получен равным 16,2 кгс/мм2. Величина коэффициента расширения может быть даже отрицательной, но большинство представляющих интерес составов и видов термообработки приводит к расширению, близ­ кому к нулю.

Материалы с высокой прочностью имеют и высокий коэффи­ циент расширения. Предел прочности при изгибе пирокерамита 9608 может составлять 16,2 кгс/мм2 при коэффициенте расшире­ ния 1,98-10"® 1/°С; модуль упругости Е = 0,88-10* кг/мм2, выше, чем у стекла. При этих свойствах величина о/Еа = 926° С ока­ зывается очень высокой, хотя и более низкой, чем для плавлен­ ного кварца. Таким образом, разрушение, связанное с пониже­ нием температуры на 926° С, полностью исключено (принимается, что распределение температур при тепловом ударе имитирует условия испытания при изгибе, как показано в гл. 6). Термообра­ ботка материала обеспечивает предел прочности 11,2 кгс/мм2 и коэффициент теплового расширения 7,02-10"7 1/°С; это дает о/Еа = 2070° С. Материал этот может оказаться еще более пер­ спективным для применения в условиях теплового удара, если требуемое сопротивление механической нагрузке невелико.

Важной областью применения являются подшипники (для ра­ боты при высоких температурах без смазки) и высокотемператур­ ные тепловые преобразователи.

7.4.11. Литиево-алюминиевые силикаты. Как указано, литиево­ алюминиевые силикаты применяются как кристаллитная фаза не­ которых стеклянных керамических материалов. Их можно исполь­ зовать также в тех случаях, когда требуется заданное или управ­ ляемое расширение. Если относительные размеры деталей ме­ няются, то желательно, чтобы коэффициент расширения оставался в пределах от —9,0-10"7 до + 9 ,0 -Ю"7 1/°С (21—593° С) и, ято особенно важно, был близок к нулю. Материал с самым низким коэффициентом теплового расширения, равным 10“9 1/°С в тем­ пературном диапазоне 25—100° С, описан в работе [7.36]. Этот материал в недегазированном состоянии’ имеет высокую тепло­ проводность и может быть получен штамповко! или литьем. До сих пор он применялся только в электронных приборах.

7.4.12. Титанат гафния. Получено семейство керамических материалов (комбинация окислов гафния и титана согласно общей формуле х ТЮ 2-г/НЮ2), у которых сочетается низкое тепловое расширение с высокой точкой плавления [7.29]. В некоторых ма­