Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Температурные напряжения




 

Рассматривая температурные напряжения, условимся различать понятия «температурные расширения» и «температурные деформации». Последние возникают при нагреве в том случае, когда есть факторы, сдерживающие свободное температурное расширение тела. Обычно такими факторами являются или конструктивные особенности, или неравномерный нагрев.

Конструкции, находящиеся в условиях температурных воздействий, ведут себя во многом подобно тому, как если бы они были нагружены внешними силами: в случае резкой неравномерности распределения температуры могут образовываться трещины, тонколистовые конструкции в результате температурного воздействия коробятся и т.д. Такого рода явления объясняют наличием температурных напряжений.

Температурные напряжения возникают вместе с температурными деформациями тела и как следствие температурных деформаций. В простейшем случае, когда температура нагрева невелика и материал деформируется упруго, температурные напряжения в соответствии с законом Гука пропорциональны модулю упругости Е, коэффициенту линейного расширения α и изменению температуры ΔТ:

.

Иллюстрацией этого может служить нагрев короткого стержня находящегося между двумя жесткими стенками или локальный нагрев в центре большого листа. В обоих случаях температурные напряжения будут сжимающими, так как конструктивные условия препятствуют тепловому расширению и вызывают деформацию сжатия.

С практической точки зрения большой интерес представляют такие случаи, когда в материале при нагреве возникают заметные пластические деформации. Это происходит, как правило, при высоких температурных градиентах и сравнительно высоких температурах. Вследствие возрастания температур меняются механические характеристики материала и вид диаграммы σ - ε. Таким образом, при неравномерном распределении температуры неоднородными становятся и свойства материала. При высокой температуре заметно усиливается эффект ползучести: напряжения и деформации с течением времени меняются. Во многих случаях, например при сварочном нагреве, анализ напряжений существенно усложняется еще и тем, что температурные поля не являются стационарными.

Наибольшую опасность температурные напряжения представляют для хрупких материалов (это можно показать на примере происходящих иногда разрушений стеклянной посуды при заливании в нее кипятка), поэтому их необходимо учитывать при расчетах на прочность наравне с обычными напряжениями.

Упругие относительные удлинения стекла при напряжении близком к пределу прочности составляют величину порядка 0,06...0,15 %. Коэффициент линейного расширения стекла α=8·10-6град-1. Следовательно, если стекло нагревать от комнатной температуры до 100 °С, его относительное температурное расширение, а при наличии сдерживающего фактора - температурная деформация ε=α·ΔТ=8·10-6 ·80=0,064 %. Так как эта величина лежит в интервале предельных относительных удлинений, то в случае создания условий ограничивающих свободную температурную деформацию может произойти разрушение. Такие условия возникают при попадании кипящей воды в стакан. В момент, когда внутренняя поверхность стекла разогрета и стремится расшириться (увеличить свой диаметр), наружная поверхность, если она еще не прогрелась, препятствует этому расширению, создает деформации сжатия внутренней поверхности, а сама испытывает окружные деформации и напряжения растяжения, которые могут достичь разрушающего уровня. Разрушение может произойти и от касательных температурных напряжений, если стакан быстро наполнить кипящей водой примерно до половины. Нижняя прогретая часть стакана стремится увеличить свой диаметр, в то время как верхняя часть препятствует этому, создавая деформации сдвига на уровне поверхности воды.



В реальности действие окружных растягивающих напряжений складывается с действием касательных напряжений.

Еще одной причиной разрушения может явиться значимо различная толщина стенки и донышка. Значительное запаздывание прогрева более толстого донышка в этом случае будет способствовать сдерживанию температурного расширения стенок, и создавать опасные напряжения в них на уровне верхней плоскости донышка.

Известно, что посуда из кварцевого стекла устойчива к температурным воздействиям. Причина этого состоит в том, что коэффициент линейного расширения плавленого кварца в 10 - 15 раз меньше, чем у обычного стекла.



Температурные напряжения для пластичных материалов большой опасности не представляют. Действительно, если малоуглеродистая сталь сохраняет свои конструктивные свойства до температуры 500 – 600 °С, то ее температурное удлинение при нагреве до 600°С будет

.

Эта величина заметно превышает деформацию, соответствующую пределу упругости. Следовательно, при высоких температурах, в стали возможно возникновение пластических деформаций. Вместе с тем удлинение порядка 0,7 % существенно меньше удлинения при разрыве. Поэтому трудно представить себе разрушение детали из малоуглеродистой стали вследствие температурного воздействия. Однако практическая деятельность, дает множество примеров разрушения более пластичных, чем малоуглеродистая сталь материалов от действия температурных напряжений. Эти исключения обусловлены разными причинами.

Прежде всего, пластичные и хрупкие свойства для одного и того же материала могут проявляться в разной степени в зависимости от условий, в которые этот материал поставлен. Известно, в частности, что при напряженном состоянии близком к всестороннему сжатию пластичность материала повышается. При всестороннем растяжении, наоборот, материал проявляет большую хрупкость. В соответствии с этим меняется и восприимчивость материала к температурным напряжениям.

Сказанное выше, можно проиллюстрировать следующим примером. Стальной цилиндрический или шаровой резервуар наполнен органическим веществом, имеющим в твердом состоянии умеренную пластичность и обладающим высоким коэффициентом температурного расширения. По поверхности контакта вещество прочно сцеплено со стальной стенкой. В процессе хранения температура может изменяться. При охлаждении в массе вещества образуется напряженное состояние всестороннего растяжения. Поэтому, несмотря на наличие достаточно высоких пластических свойств, возможен либо отрыв вещества от стенки, либо образование трещин в самом веществе.

При всестороннем сжатии весьма хрупких мрамора или бетона они ведут себя как очень пластичные материалы.

 
 

Иногда разрушение узла наступает вследствие концентрации деформаций, которая обусловлена конструктивными особенностями. Так, если металлический стержень (рис. 1.7) из пластичного сплава разогреть до высокой температуры, а затем закрепить по концам, то при охлаждении такой стержень может разрушиться по выточке. Вероятность такого разрушения тем выше, чем меньше относительная ширина выточки а/l.

Рис. 1.7

В большинстве случаев теплонапряженные узлы подвергаются не только тепловому, но и силовому воздействию. Основные трудности, которые возникают при анализе подобных систем, связаны, прежде всего, с недостаточностью наших представлений об основных зависимостях между параметрами, определяющими состояние материала.

Таких параметров четыре. Это - напряжение, деформация, время и температура. При неизменной температуре зависимость между тремя первыми параметрами характеризует свойство ползучести. Но и в этом частном случае анализ поведения теплонапряженной конструкции представляет собой довольно сложную самостоятельную проблему.

В случае не очень высоких температур и сравнительно небольшой длительности действия сил можно, по-видимому, пренебрегать влиянием фактора времени и рассматривать зависимость σ - ε как совокупность диаграмм растяжения, найденных путем испытания материала при разных температурах

 
 

(рис. 1.8).

Рис. 1.8

Но и в этом простейшем случае возникают вопросы, которые требуют введения гипотез и постановки особых экспериментов.

Рассмотрим, например, две диаграммы построенные при постоянных температурах T1 и Т2. Пусть вначале состояние материала определяется точкой А. Если уменьшить напряжение при постоянной температуре Т1 то новое состояние будет характеризоваться точкой С, расположенной на прямой АВ. Если оставить постоянным напряжение соответствующее точке А и повысить температуру до Т2, то мы придем к точке Д. Однако неизвестно, каким будет состояние материала, если одновременно уменьшить σ и повысить температуру до Т2.

В результате температурного воздействия возможна потеря устойчивости. Очевидно, что это явление может быть исследовано при помощи тех же приемов, что и потеря устойчивости, вызванная внешними сжимающими силами. За эквивалент внешнего воздействия в этом случае, как и при расчетах на прочность принимается напряжение.

 
 

Нетрудно себе представить две одинаковые конструкции, в одной из которых критические нагрузки, соответствующие потере устойчивости, возникли в результате температурного воздействия, а в другой в результате силового воздействия (рис. 1.9).

Рис. 1.9

В закритической области системы ведут себя по-разному. Причина этого заключается в том, что изменение (увеличение) температуры связано с изменением деформаций, а изменение нагрузки - с величиной напряжений. Поясним это на примере. Стержень, закрепленный по концам (рис. 1.9, а), при нагреве теряет устойчивость, когда нормальная сила в его сечении достигнет эйлеровой. При дальнейшем нагреве малому изменению температуры будет соответствовать небольшое приращение прогиба стержня. Эквивалентная система (рис. 1.9, б) при малом приращении силы Р в закритической области получит большее перемещение. Иными словами, при равных величинах и прогибы при первом виде нагружения будут неизмеримо меньше, чем при втором. Из рассмотренного примера вытекает, что потеря устойчивости в результате температурных воздействий в ряде случаев может быть неопасной для конструкций. Ситуация существенно меняется, когда вместе с температурным воздействием возникает и силовое. Можно себе представить, что цилиндрическая оболочка является несущим элементом (отсеком) фюзеляжа самолета. В результате воздействия воздушного потока оболочка будет нагреваться. Поскольку при маневрах возникают изгибающие моменты, то одновременно с температурным воздействием, оболочка будет испытывать и силовое. В этом случае температурная потеря устойчивости может повлечь за собой серьезные последствия даже тогда, когда напряжения изгиба в фюзеляже, взятые отдельно от температурных, далеко не достигают критических.

Для обозначения резкого температурного воздействия в технике иногда употребляют выражение «тепловой удар». Это понятие связывают с быстрым поверхностным нагревом, в результате которого образуются высокие градиенты температур и напряжений. Это приводит к возникновению напряжений сжатия в прогретом поверхностном слое и напряжений растяжения в более глубоких холодных слоях, и, как следствие, сдвиговых напряжений на границе раздела между холодными и горячими слоями. При высокой хрупкости нагреваемого материала и дополнительном силовом воздействии, например, в виде центробежных сил, возможно поверхностное выкрашивание.

В заключение раздела отметим, что почти все рассмотренные здесь явления происходят или могут происходить в той или иной степени при сварке плавлением или сварке в твердой фазе.

 


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2018 год. (0.009 сек.)Пожаловаться на материал