книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

териалах содержится малый процент 2 г 0 2 в связи с наличием этого окисла в окисле гафния. Коэффициенты расширения неко­

равна приблизительно 2204° С, но эксплуатация ограничена воз­ никновением фазовых превращений при 1871° С и значительным снижением прочности при температуре выше 1374° С. Для опре­ деления сопротивления тепловому удару этих материалов про­ ведены ограниченные испытания. Для определения падения проч­ ности образцы выдерживали в печи в течение 10 мин при 1374° С и охлаждали на воздухе или в воде. Уровень остаточной проч­ ности при комнатной температуре принят в качестве меры чувстви­ тельности к тепловому удару. Оказалось, что при охлаждении на воздухе средняя потеря прочности 13% после 5 циклов, в то время как при охлаждении в воде прочность снижается почти на 90% только за 1 цикл, а после третьего цикла появляются видимые трещины. Напряжения, возникающие во время охлаждения, не определены, но ясно, что низкое тепловое расширение однозначно не исключает возможность разрушения при тепловом ударе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

7.1. ВаЫ \ут’ Е. Е., 5око1 О. Л. апЛ Со№п Ь. Р Сус1ос 31гаш РаИ^ие 51и-

7.5.СЫзюкк Н. Н. ТЬе Р1азНс ОеГогтаНоп оГ 1Лгапшш оп ТЬегша1 СукНп§. Тгапз. А т . 5ос. Ме1а1з, уо1. 49, 1957, р. 622—654.

7.6.С1аизз Р. Л. ТЬегта1 РаНдие о! БисШ1е Ма1епа1$. III, ЫАЗА ТесЬ. Ыо1е 0-69, Ос1оЬег, 1959.

7.7.С1аи$з Р. Л. апЛ Ргеетап Л. ДУ. ТЬегта1 РаН^ие о! БисШе Ма1епа1з.

I апЛ II. ЫАСА ТесЬ. Ыо*ез 4160 апс! 4165, 1958.

7.8.СоШп Ь. Р. А 51иЛу о! 1Ье ЕНеск оТ СусНс ТЬегта1 Зкеззез оп а БисШе Ма1епа1, Тгапз. А5МЕ, уо1. 76, N 6, 1954, р. 925—930.

7.9.СоНт Ь. Р. апЛ ТауегпеШ Л. Р. ТЬе СусНс Зкаш ш з апЛ РаН^ие о! Ме1а1з, Тгапз. АШ Е, уо1. 215, Ос1оЬег, 1959, р. 794— 807.

7.10.СигНз С. Е. Беуекртеп* о^ 2 к со та Кез1з1ап11о ТЬегта1 ЗсЬоок Л. А т .

Сегат. Зое. Липе, 1, 1947, р. 180—196.

7.11. С1еппу Е. апс! Тау1ог Т. А. А 51иЛу оГ 1Ье ТЬегта1 РаИ^ие ВеЬауюг оГ МеЫз: ТЬе ЕГГес! о! Тез1 СопЛШопз оп Ыкке1Ъазе Н1бЬ-1 ётрега!иге АИоуз.

ш&ие Гог ТЬегта1 ЗЬоск апЛ ТЬегта1-РаН§ие ТезИп^ ВазеЛ оп 1Ье 11зе о! Р1шЛ1-

МаГепаЬ Гог З е т с е а! Тетрега1 игез АЬоуе 1600° Р. А5ТМ Зрес. ТесЬ. РиЫ. 174, 1955, р. 146—163.

7.19.Ш г Ь. М. ОгарЫГе, СагЫЛе, ЫйпЛе, апс! 5 и1Пс1е РеГгасГопея, ш 51апГогЛ КезеагсЬ 1 пзШи!е, «РгосеесПп^з оГ ап 1пГегпа!юпа1 З у тр озш т оп Но&п ТетрегаГиге ТесЬпо1о§у», МсОга\у-НШ ВоокСошрапу, № \у Уогк, 1960, р.91—112.

7.20.' 1ЛоуЛ Ь. Т. апЛ МауЙе1Л К. М. М1сгоз1гис1ига1 СЬап&ез оГ 1 Лгапшт

Тгапз. А т . 8 ос. Ме1а1з, уо1. 51, 1959, р. 421—437.

7.22. Мау!е1 Л К. М. ЕГГесГз оГ СусПщ* Уаг1 аЫез ироп ОгоеГЬ РаГе оГ 300° С Ро11еЛ 1Лгапит. Тгапз. А т. 8 ос. Ме1а1$, уо1. 50, 1958, р. 926—943.

7.23. МеЬпп^ег Р. Л. апЛ Ре1^аг К. Р. Ьо\у Сус1е Рай^ие оГ Туго Мске!- Ьазе АНоуз Ьу ТЬегта1 ЗГгезз СусПп^. Л. В азт Еп&., уо1. 82, N 3, ЗерГетЬег, 1960, р. 661—670.

7.24. МизсаГеП Р. Ь., РеупоЫз Е. Е., Эугкасг ДУ. ДУ. апс! Оа1Ье1т Л. Н. ТЬегта1 5Ьоск Ре51з1апсе оГ Н^Ь-ТетрегаГиге АПоуз, Ргос. А8 ТМ, уо1. 57, 1957,

р.947—962.

7.25.МиуЛ} В. В. 5ГгисГига1 ВегуШит. МеГа! Рго&. уо1. 82, рр. 140, 142,

апс! 144, Ли1у, 1962.

7.26.ЗсЬюагГг В. ТЬегта1 ЗГгезз РаПиге оГ Риге РеГгасГогу Ох1Лез Л. А т. Сегат. 8 ос. уо1. 35, N 12, Бес. 1, 1952.

7.27.5сЬ\уагЫ}ег(* Р. Р., О^Леп Н. Р. апс! ЛаГГее Р. I. ОисГПеЬпШе Тгапз-

апс! МесЬатса1 ЗГгат СусПп^ ВеЬауюг оГ 0]$Са11оу. А-286, апс! 16-25-6 АигГепШс 5Гсе1з ЫАЗА ТесЬ. №Ге 0-479, 1960.

7.32.$1оокеу 8. О. С1аяз Сегаписз, МесЬ. Еп^. уо1. 82, N 10, ОсГоЬег, 1960,

р.65—68.

7.33.8 \У1пс!етап р. ДУ. апс! Ооид1аз О. А. ТЬе РаПиге оГ 8!гис1ига1 Ме1а15

ТетрегаГиге АПоуз (о Сгаскт^ Саи5ес1 Ьу ТЬегта! ЗЬоск. ЫАСА ТесЬ. МоГе 2037, 1950.

апЛ Неа! ТгеаГтеп! УапаЫез ироп ГЬе ТЬегта1 Уаг1аЫез ироп ГЬе ТЬегта1 СусПп^ ВеЬаУ1’ог оГ Угапит. Тгапз. А т. 5ос. МеГа!з, уо1. 50, 1958, р. 905—926.

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее эффективным способом борьбы конструктора с отри­ цательным действием температурных напряжений является из­ менение конструктивных форм. Однако правила конструирования термостойких конструкций часто противоречат правилам конструи­ рования с учетом механических нагрузок. Например, более вы­ соким сопротивлением' появлению трещин в колесе локомотива обладает самое тонкое колесо, поскольку в этом случае обеспе­ чивается меньшее стеснение теплового расширения, вызываемое нагревом при торможении.

Рассмотрим общие методы уменьшения температурных напря­ жений для создания оптимальной конструкции, к числу которых относятся следующие: удаление связей, которое обеспечивает рав­ номерное расширение, образование полезных остаточных напря­ жений, уменьшение концентрации деформаций и защита поверх­ ности детали.

8.1. СТЕСНЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ

Когда детали машин или элементы конструкций подвергаются температурному воздействию, каждая деталь расширяется. В не­ которых случаях естественное расширение согласуется с конфи­ гурацией детали, и элементы действительно расширяются сво­ бодно. Рассмотрим, например, плоскую полосу, показанную на рис. 8.1, и предположим, что ее поверхность подвержена действию стационарного теплового потока. Распределение температур по толщине полосы линейное,- и различные волокна могут расши­ ряться свободно, принимая форму дуги окружности. При этом длина верхних волокон, становится больше, чем нижних. Каждый элемент длины дуги окружности имеет размеры, соответствующие температуре, и напряжения не возникают. Полоса свободна от напряжений только в том случае, если допускается искривление по дуг-е окружности. Если при наложении внешних связей полоса остается прямой, в ней возникают напряжения, которые можно вычислить, зная распределение внешних сил, необходимых для распрямления согнутой полосы.

Применение полых лопаток турбин также можно рассматри­ вать как способ удаления массивных участков сечения. В сплош­ ных лопатках турбин поверхность, которая нагревается в первую очередь при пуске турбины, подвергается стеснению со стороны центрального массива, температура которого меньше. Полая ло­ патка не только не испытывает стеснений расширения, но и обес­

печивает возможность внутреннего охлаждения.

Таким образом, те области, ко­ торые нагреваются быстрее, сле­ дует конструировать так, чтобы обеспечить условия свободного расширения при высокой темпе­ ратуре, а массивные участки, имею­ щие высокую термическую инер­ ционность, по возможности ликви­ дировать.

8.1.5. Ограничение размеров. Большой размер является допол­ нительным источником стеснения, так как в теле большого размера расширение или сжатие участка, подвергающегося быстрой смене температур при тепловом ударе, ограничено массивным участком, температура которого медленно меняется в течение заметного пе­ риода времени. Одним из методов уменьшения температурных на­ пряжений, особенно в условиях

теплового удара, является уменьшение размера конструкции до минимума. Когда необходима конструкция большого размера, следует учесть возможность составного варианта, представляю­ щего собой серию блоков, каждый из которых имеет необхо­ димое сопротивление тепловому удару.

На рис. 8.8 представлены результаты испытаний стеатитовых дисков с отверстием, быстро охлаждаемых с поверхности после нагрева до равномерно распределенной температуры [8.10]. Из расчета иэксперимента вытекает линейное соотношение между вели­ чиной 1/7) дюйм-1 и вызывающей разрушения разницей температур между диском и охлаждающей средой. Применены два способа охлаждения — на воздухе и в воде. Образец данного диаметра, закаленный в воде (что обеспечивает более высокий коэффициент теплоотдачи, чем закалка на воздухе), разрушается при меньшей разнице температур. Обе прямые линии пересекают вертикальную ось примерно при 121° С. Отсеченный отрезок прямой вертикаль­ ной оси соответствует случаю, когда размер бесконечный или стес­ нение расширения полное. Температура на этом участке должна

режима.

Одним из очевидных путей предотвращения усталостного раз­ рушения при действии температурных напряжений и деформаций является сведение к минимуму температуры и температурных гра­ диентов (например, обеспечение более плавных и контролируемых пусков). В процессе исследования сделана попытка увеличить долговечность лопаток с помощью регулирования скачков тем­ пературы при пуске. Сконструирован специальный топливно­ распределительный клапан, который подавал топливо в каждую камеру последовательно, обеспечивая зажигание в отдельных ка­ мерах, а не одновременное во всех. После 900 циклов пусков и оста­ новок разрушение не произошло, в то время как 85 обычных цик­ лов вызывали образование трещины. Таким образом, в любом случае, когда нет необходимости в быстром пуске, молено восполь­ зоваться рядом способов ограничения скорости изменения тем­ пературы по крайней мере в наиболее опасной части цикла,