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;

Δ t – 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 º С;

– для легированных сталей t = 300 ¸ 350 º С;

– для чугуна t = 250 ¸ 300 º С;

– для цветных металлов t = 50 ¸ 150 º С.

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;

[s] – 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:

1, 5 ¸ 2, 0 · 10^-3м – для жаровых туб;

0, 5 ¸ 1, 05 · 10^-3м – для остальных элементов конструкции.

При длительном воздействии динамических нагрузок, особенно при повышенных температурах, в конструкциях накапливаются усталостные напряжения, которые проявляются в таких явлениях как ползучесть, хрупкость, релаксация.

Ползучесть – это увеличение деформаций без изменения нагрузки.

Релаксация – это самопроизвольное снижение напряжений. При этом плотность соединения нарушается. В процессе эксплуатации оборудования необходимо подтягивать гайки фланцевых соединений.

В результате релаксации происходит разгерметизация вальцовочных соединений, ослабление насадки шкивов и подшипников насосов, дымососов, вентиляторов.

Среди видов термической обработки различают закаливание, отпуск, отжиг.

Закаливание это вид термической обработки, заключающийся в нагревании стали до температуры на 30 ¸ 50 º С выше критической, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Для закаливания используют кипящие жидкости – воду, водные растворы солей и щелочей, масла. При закаливании прочность и твёрдость увеличиваются, но также увеличивается хрупкость, появляются внутренние напряжения (деталь «ведёт»). Поэтому закаливание не является окончательной операцией.

Отпуск служит для получения требуемых механических свойств и снижения внутренних напряжений, возникающих при закаливании. Отпуск заключается в нагреве до температуры t = 240 ¸ 680 º С и последующем охлаждением с определённой скоростью.

Отжиг устраняет химическую и физическую неоднородность, созданную предыдущей обработкой. В результате отжига снимаются холоднодеформационные напряжения, остаточные напряжения после сварки и обработки резанием. В зависимости от назначения отжига деталь нагревают до температуры t = 160 ¸ 700 º С, а затем медленно остужают (от 1 до 100 часов).