Введение

Задачей настоящей дисциплины обще-профессионального блока является практическое освоение теоретических положений ряда классических дисциплин, и в частности таких как, «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Детали машин» в плане эффективного промышленного использования современных высоконапряженных энерго-технологических установок на энергетических, промышленных и коммунально – бытовых объектах промышленного и гражданского градостроительства.

Технологическое оборудование производственно-отопительных котельных и тепловых сетей работает в специфических условиях, обусловленных высокими температурами и давлением. Для обеспечения гарантированной прочности конструктивных элементов этих систем используют высокопрочные жаростойкие стали, а при выполнении прочностных расчетов – специальные методики расчета.

Одной из таких методик расчета, широко используемой при расчетах на прочность энергетического оборудования, является мембранная теория оболочек. Необходимость ее использования обусловлена тем обстоятельством, что большинство узлов и элементов энергетических объектов представляет собой габаритные (часто цилиндрические) тонкостенные конструкции, схема нагружения которых принципиально отличается от классических ферм, балок и опор.

Оболочкой называют тело, у которого одно измерение (толщина) значительно меньше двух других. В мембранной теории расчет сводится к этой схеме, в то время как в теории сопротивления материалов – к схеме нагруженного бруса.

Теория, основанная на этом положении, называется мембранной или безмоментной. Это один из методов идеализации, широко применяемых в современной науке. Отклонения от фактической картины нагружения корректируются соответствующими коэффициентами.

Лекция 1. Материалы, применяемые при изготовлении энергетического оборудования

Цель лекции: усвоение принципов выбора конструкционных сталей и сплавов, а также чугунов и цветных металлов, применяемых при изготовлении энергетического оборудования.

1.1 Механические свойства материалов: диаграмма растяжения и напряжений. Виды нагружения Механические свойства материалов

Под действием внешних сил на элементы энергоустановок возникают внутренние силы. Внешние силы по способу приложения могут быть сосредоточенными и распределенными; поверхностными и объемными; статическими и динамическими. Схемы приложения внешних сил представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схемы приложения внешних сил

Внутренние силы определяют методом сечения. Например:

N – нормальная продольная сила.

Кроме того, внутренние силы могут быть представлены поперечными силами, изгибающими моментами и крутящими моментами.

Однако, выявив внутренние силы, еще нельзя судить о прочности тела. Характеристикой прочности является напряжение, то есть величина интенсивности внутренних сил, представляющая собой отношение:

 = N / S, МПа, (1.1)

где S – площадь поперечного сечения тела.

Механические свойства материалов определяют при лабораторных испытаниях: на растяжение _р, сжатие _сж, срез _ср, кручение _кр, изгиб _из, усталость _ус.

Наиболее важными являются испытания на растяжение, которые характеризуются прочностью, пластичностью и твердостью.

Прочностью материала называется его способность противостоять действию напряжений.

Пластичностью материала называют его способность проявлять значительные остаточные деформации без разрушения.

Твердостью называют его способность противодействовать проникновению в него другого более твердого материала. Твердость измеряется по шкале Бринеля (HВ), Роквелла (HRC).

По степени проявления остаточных деформаций все вещества условно разделяют пять групп:

– весьма пластичные (чистый свинец, красная отожженная медь, золото, литой алюминий);

– пластичные (латунь, отожженная малоуглеродистая сталь);

– рупко-пластичные (закаленная углеродистая сталь, пружинная сталь, металлокерамика, ковкий чугун);

– хрупкие (серый литейный чугун);

– весьма хрупкие (инструментальная сталь без отпуска, белый чугун).

Для приближенной оценки свойств пластичности материалов вводится качественная градация по двум признакам: пластичные и хрупкие материалы.

Пластичными считают материалы, которые разрушаются после значительных остаточных деформаций, более 5 %.

Хрупкие материалы разрушаются при небольших остаточных деформациях, менее 5%.

Хрупкие материалы плохо работают на растяжение, не выносят ударов, но хорошо сопротивляются сжатию.

Д иаграмма растяжения и напряжений для пластичных материалов представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Диаграмма растяжения и напряжений для пластичных

материалов: l – удлинение образца;  = (l/l) ∙100 % – относительное

удлинение; ОА – упругие деформации, в зоне которых образец практически восстанавливает свою длину при снятии нагрузки; в точке (В) деформация достигает 0,02 % – напряжение в этой точке называют пределом упругости;

ВС – материал течет без заметной увеличения нагрузки; напряжение, при

котором деформация возрастает без увеличения нагрузки и переходит из

упругой области в упруго-пластичную, называется пределом текучести _т;

СD – зона упрочнения (наклеп или нагартовка)

Наклеп – это свойство широко используется в технике для поверхностного упрочнения деталей. Например, канаты грузоподъемных устройств подвергают нагрузке выше рабочей, при которой происходит их вытяжка и наклеп.

Однако нужно не забывать, что наклеп сопровождается снижением пластичности, а также возникновением сдвигов и микротрещин, являющихся концентраторами напряжений. Наклеп может быть снят при помощи отжига.

При вальцовке труб в барабане котла или трубок в трубных досках подогревателей происходит деформация металла как трубы, так и отверстия. Необходимо не допускать перевальцовки, что особенно актуально при ремонте и подвальцовке. Для отверстий с диаметром больше допускаемого подбираются трубы с плюсовым допуском.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, называется временным сопротивлением – _в.

Пределом прочности (_пч) называется напряжение, которое получается, если разделить нагрузку в точке К на действительную величину площади сечения шейки в момент разрыва.

Механические характеристики материалов даются в справочных таблицах.

Виды нагружения

Одним из основных критериев работоспособности материала является его прочность. Прочность – это способность детали сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций под действием нагрузки.

Различают объемную и контактную (поверхностную) прочность. При расчете на прочность различных конструктивных элементов теплосилового оборудования в качестве определяющего критерия работоспособности выступает объемная прочность.

Контактная прочность определяет работоспособность узкоспециального класса изделий в машиностроении – шестерен, зубчатых и червячных колес механических передач и в данном курсе лекций рассматриваться не будет.

Объемная прочность определяется видом нагружения. В зависимости от вида нагружения различают напряжения растяжения, сжатия, изгиба или кручения. Особенностью этих напряжений является то обстоятельство, что они возникают по всему сечению детали. Различные виды нагружения элементов конструкций и возникающие в них напряжения представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Виды нагружения деталей и возникающие напряжения

А Р Р А	А – А в а	p = = =
Ми Ми		и = W =
		к = Wр = 0,2∙d3

Для сложного напряженного состояния (растяжение плюс кручение) критерием прочности являются эквивалентные напряжения, которые определяют по формуле:

_э = ≤    (1.2)

1.2 Конструкционные стали и сплавы: обычные и качественные стали. Легирующие элементы в конструкционных сталях. Классификация

сталей. Чугуны и цветные металлы: виды, состав и технические

характеристики

Конструкционные стали и сплавы