Лекция 2. Влияние температыры, времени и термическойобработки на механические свойства материалов

Цель лекции: Усвоение принципов выбора конструкционных сталей, применяемых при изготовлении энергетического оборудования, с учетом влияния факторов температуры, времени и термической обработки.

2.1 Снижение прочностных характеристик при повышении

температуры рабочей среды. Усталостные напряжения в конструкциях при длительном воздействии динамических нагрузок. Виды

термической обработки и их влияние на механические характеристики

Снижение прочностных характеристик при повышении температуры характерно для всех марок сталей, применяемых для изготовления теплосилового оборудования.

С позиций теории это объясняется возникновением дополнительных температурных напряжений в структуре металла. По результатам разработки математических моделей напряженного состояния для расчета максимальных температурных напряжений в трубах поверхностей нагрева может быть предложена формула вида:

н/м², (2.1)

где ε_t – коэффициент линейного температурного расширения металла, мм/мм·К;

Е – модуль упругости, н/м²;

μ – коэффициент Пуассона;

Δt – перепад температур в стенке, зависящий от величины тепловой нагрузки;

– коэффициент цилиндричности, представляющий собой отношение наружного диаметра трубы к внутреннему диаметру.

Опыт практической эксплуатации теплосилового оборудования показывает, что внутренние температурные напряжения не могут быть достаточно точно определены расчетом. Поэтому наличие внутренних температурных напряжений учитывается при выборе допускаемых напряжений путем их снижения.

На механические характеристики материалов оказывает влияние как абсолютная величина температуры, так и продолжительность работы при этой температуре:

– для малоуглеродистых сталей результаты испытаний на прочность применимы до температуры до t = 300 ºС;

– для легированных сталей t = 300  350 ºС;

– для чугуна t = 250  300 ºС;

– для цветных металлов t = 50  150 ºС.

При более высоких температурах необходимо не только учитывать снижение прочности материалов, но и обеспечивать надёжную защиту от воздействия температуры, или же, решать задачи охлаждения элементов высоконагруженных поверхностей.

Номинальные значения напряжений для различных марок сталей в условиях высоких температур (250 ÷ 500 ⁰С) приводятся в отраслевой справочной литературе в виде таблиц. Область применения материалов при различных температурах приводятся в «Сборнике руководящих материалов по котлонадзору».

В нормативных методах расчета элементов паровых котлов и жаровых труб применяют формулы, проверенные многолетним опытом эксплуатации в которых влияние температуры на прочностные характеристики конструкции учитывается введением поправочных коэффициентов. Так, например, толщина стенки обечайки может быть определена по формуле:

где K – коэффициент, учитывающий геометрические формы и условия теплообмена, определяемый по формуле:

где a – коэффициент неравномерности обогрева, принимаемый равным 6,25 – для горизонтальных труб и 3,75 – для вертикальных труб;

L, м – длина жаровой трубы, которая принимается равной расстоянию между соседними креплениями (кольца жесткости или крепление с днищем);

P – разрушающее давление, МПа;

[] – допускаемое напряжение материала конструкции, Н/мм²;

D_в – определяющий геометрический размер (диаметр), м;

C – конструктивная прибавка на неучтенный допуск по толщине металла и на коррозию, равная: