10.1.5. Влияние температуры на прочность ствольных материалов

Одним из непосредственных следствий интенсивного нагрева стволов при напряженных режимах стрельбы является снижение прочностных характеристик ствольных материалов. На рис. 10.5 приведены качественные зависимости механических характеристик (пределы прочности , пределы текучести , модуля Юнга E и коэффициента Пуассона ) от температуры для типичных ствольных сталей.

Как следует из приведенных графиков, прочностные характеристики ствольных сталей монотонно снижаются с ростом температуры. При этом наиболее интенсивное снижение этих свойств наблюдается в интервале температур от 550 до 650 С. Указанный температурный интервал ограничивает возможность использования ствольных сталей при стрельбе большими боекомплектами по целому ряду критериев термопрочности, износостойкости и живучести.

Рис. 10.5. Качественная зависимость механических

характеристик ствольных сталей от температуры:

1 – ст. 30ХН2МФА, 2 – ст.50РА, 3 – ст.30ХРА

Другим следствием нагрева ствола является возникновение значительных по величине температурных напряжений. Эти напряжения непосредственно связаны с разной нестационарностью и неравномерностью температурного поля по толщине стенки ствола.

Рассмотрим нагрев приповерхностного слоя металла ствола. Нагревание этого слоя должно сопровождаться его температурным расширением, которому, однако, препятствует основная толща стенок трубы. Рассматриваемый процесс легко представить состоящим из:

1) беспрепятственного температурного расширения слоя;

2) сжатия слоя практически до исходных размеров. В результате в рассматриваемом слое возникнут напряжения сжатия. Очевидно также, что равномерный нагрев всей стенки не вызовет появления температурных напряжений, так как в этом случае температурные деформации не встречают каких-либо препятствий.

Таким образом, можно ожидать, что резкие температурные градиенты, возникающие в стенке ствола при выстреле, должны приводить к появлению температурных напряжений, в значительной мере искажающих напряженное состояние от действия механических нагрузок.

Если в системе уравнений напряженно-деформированного состояния толстостенной трубы учесть в законе Гука температурные деформации

то при ранее принятых допущениях температурные напряжения в стенке трубы определятся зависимостями

(10.6)

(10.7)

(10.8)

где – коэффициент линейного расширения материала ствола;

T – температура ствола.

Дадим приближенную оценку температурных напряжений на поверхности канала ствола, считая температуру распределенной по толщине стенки в соответствии с рис. 10.6.

Рис. 10.6. Распределение температуры в поверхностном слое ствола

Из соотношений (10.6) – (10.8) следует, что при r = r_в

;

. (10.9)

Для принятого закона распределения температур зависимость (10.9) принимает вид

где Т_m, Т_о – значения температур на границах поверхностного слоя.

Ранее было установлено, что толщина прогретого слоя при выстреле не превышает 0,5 мм. Тогда

и, таким образом,

. (10.10)

Сопоставим в качестве примера напряжения на поверхности канала ствола от механического и теплового воздействия порохового газа. В качестве исходных данных примем следующие:

d_в = 2^.r_в = 30 мм; d_н = 2^.r_н = 60 мм;

р = 3000 ^.10⁵ Па, T_m = 1293 К, Т_о = 293 К;

Е = 2 ^.10¹¹ Па; = 1/3; = 10 ^-5 1/К;

.

Тогда напряжения от давления порохового газа будут

Температурные напряжения в этом же случае составят: =0;

Из полученных результатов следует, что температурные напряжения значительно превосходят по абсолютной величине напряжения от механических воздействий, существенно меняя при этом распределение напряжений в узком поверхностном слое ствола (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Эпюра напряжений по толщине стенки ствола

Таким образом, при больших перепадах температур, имеющих место в стенке при выстреле, можно ожидать появления на поверхности ствола знакопеременных напряжений и пластических деформаций, величина которых не зависит от толщины стенки ствола.

На этот факт обращал внимание еще в начале XX века выдающийся русский ученый-металлург Д. К. Чернов. Он считал, что последовательный интенсивный нагрев и охлаждение поверхности канала ствола в ходе каждого выстрела приводит к циклическим напряжениям сжатия – растяжения, образованию трещин и разрушению поверхностного слоя.