10.5 Термическая усталость

Если температура элемента конструкции изменяется достаточно быстро, то вследствие перепада температур по сечению создается неравномерное распределение напряжений по сечению. Величина этих напряжений может оказаться такой большой, что в отдельных объемах наступит пластическая деформация.

В результате нагрева с большой скоростью в расширенных поверхностных слоях создается напряжение, по величине превосходящие разрушающие напряжение. Способность металла выдерживать такой тепловой удар определяется склонностью к пластической деформации, которая может привести к снятию напряжения. Для сплавов, обладающих высокой прочностью, как правило высоколегированных, обладающих низкой теплопроводностью, такие напряжения могут вызвать разрушение.

Если же материал обладает высокой теплостойкостью, то сопротивление резкой тепловой нагрузки может оказаться удовлетворительным. Но это не означает, что такой материал может выдержать бесчисленное множество циклов тепловой нагрузки. В результате циклического изменения температуры развивается пластическая деформация, которая может привести к зарождению и развитию трещин. Образующиеся при этом трещины являются результатом знакопеременной локальной деформации.

Для оценки результатов исследования термической усталости пользуются критерием, соответствующим появлению первых трещин, имеющих длину от 7·10ˉ² до 12·10ˉ²мм.

Процесс термической усталости имеет общее с механической усталостью, но одновременно и отличия.

В качестве различий термической и механической усталости следует назвать следующие особенности:

1. при термической усталости поддерживается постоянной или регулируемой амплитуда деформации, а не амплитуда напряжения, как при механической усталости;

2. разрушение в результате термической усталости происходит всего за несколько циклов, тогда как при механической усталости за десятки, сотни и миллионы циклов;

3. при термической усталости период нагружения составляет от нескольких минут до нескольких часов, а при механической усталости ~10ˉ³ секунды;

4. при термической усталости характерно заметное изменение температуры на протяжении каждого цикла, при этом максимальной температуре обязательно соответствует сжимающее напряжение, а минимальной – растягивающие.

Сопротивление термической усталости в сильной мере зависит от природы материала. Широко распространенным теплостойким материалом является нержавеющая сталь 08Х18Н9Т, которая имеет высокий коэффициент термического расширения, высокий модуль упругости и низкую теплопроводность.

Механизм термической усталости можно представить в виде следующей схемы, рис.80.

Согласно рис.80 образец жестко закреплен с обоих сторон и подвергается циклическому нагреву – охлаждению в интервале температур Т1 – Т2 (T2 >T1). Если пренебречь деформациями торцов, то общая деформация за один цикл будет слагаться из компоненты термического расширения εt, компоненты упругой деформации εуп и компоненты пластической деформации εпл и будет равна 0: .

Термическая деформация может быть определена дилатометрическим методом.

Упругая деформация может быть определена в соответствии с законом Гука , если известен модуль упругости и величина напряжений, измеренных с помощью тензодатчиков.

Зная εt и εуп можно измерить величину пластической деформации εпл.

Изменения составляющих деформации в процесс нагрева и охлаждения можно представить рис.81.

Обозначим исходное состояние фиксации торцов образца точкой 2. По мере понижения температуры (кривая А, 2-1) вначале возникает упругое растягивающее напряжение и упругая деформация, а затем пластическая деформация. При этом кривая изгибается в направлении к точке 1, соответствующей минимальной температуре Т1. В это время, при температуре Т1 происходит отдых но не происходит релаксация напряжений. Последующий нагрев вызывает упругую деформацию в противоположном направлении и пластическую деформацию (кривая А, 1-2΄). В точке 2` достигается максимальная температура Т2. Выдержка при температуре Т2 приводит к релаксации напряжений. Степень релаксации напряжений будет зависеть от температуры и времени выдержки при этой температуре. Величина напряжений уменьшится до величины соответствующей точке 2``.

Повторное охлаждение от Т 2 до Т1 характеризуется подъемом кривой В, имеющей упругий и пластический участок, от 2`` к точке 1`. При нагреве от Т1 до Т2 будет иметь нижнюю кривую Вк точке 2```. Выдержка при Т2 приведет к релаксации напряжений до величины точки 2````. Повторное охлаждение будет сопровождаться подъемом кривой с 2```` до 1``.

Форма петель будет зависеть от величины модуля упругости.

Поскольку размеры и формы петель напряжение – деформация тесно связана с процессом термической усталости, петли можно считать характеристикой этого процесса.

Возрастание средней температуры термического цикла приводит к уменьшению долговечности. В этом случае влияние температуры подобно влиянию напряжений при механической усталости.