§ 72. Влияние повышенной температуры на механические свойства.
В паровых котлах, двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, а также во многих химических аппаратах металл работает в условиях высоких температур. Особенно высокие температуры, свыше 1000°, достигаются в авиационных реактивных двигателях. Поэтому представляет интерес изучение механических свойств металлов и сплавов при высоких температурах.
Рис. 103.
На рис. 103 приведена серия диаграмм растяжения одной и той же углеродистой стали при различных температурах, от 20° до 400°. Интересно отметить, что, начиная с температуры 400°, площадка текучести исчезает и диаграмма становится подобной диаграмме растяжения цветных металлов — меди или алюминия.
При более высоких температурах прямолинейный участок диаграммы по существу отсутствует и результаты испытаний оказываются в сильной степени зависящими от скорости растяжения. Если подвергнуть образец действию постоянной нагрузки, он будет продолжать деформироваться с некоторой определенной скоростью, зависящей от действующего напряжения.
Медленное течение металла под действием постоянной нагрузки называется ползучестью. Для изделий с более или менее длительным сроком службы ползучесть [представляет главную опасность, так как она может привести либо к накоплению недопустимо большой деформации, либо к разрушению. Вопросу о ползучести и прочности при длительном действии нагрузки будет посвящена специальная глава (гл. XVIII), здесь мы ограничимся сделанными замечаниями. Упругие характеристики металлов также меняются с температурой. На рис. 104 представлена зависимость модуля упругости
Рис. 104.
и модуля сдвига углеродистой стали от температуры. Как видно, при температуре 500° модуль упругости уменьшается примерно на 30%. Коэффициент Пуассона становится при этом весьма близким к одной второй. Следует заметить, что определение модуля упругости при высоких температурах затруднительно вследствие того, что материал ползет. Поэтому его находят или по наклону прямых разгрузки и повторной нагрузки (при этом ползучесть на некоторое время приостанавливается), либо по частоте упругих колебаний стержня из испытываемого материала, которая зависит от размеров стержня, плотности материала и модуля упругости (см. гл. XVI).
Поскольку модуль упругости характеризует силы междуатомной связи, на его зависимость от температуры очень мало влияет наличие в сплаве различных примесей. Для сталей с небольшим содержанием легирующих элементов эта зависимость мало отличается от представленной на рис. 104. Пластические свойства и прочность при высоких температурах, наоборот, могут быть очень сильно изменены введением в сплав дополнительных элементов и специальной термической обработкой; эти свойства в сильной степени зависят от структуры.
При выборе материала для работы в условиях высоких температур необходимо считаться с тем, что многие металлы с повышением температуры начинают интенсивно окисляться. Способность материала сопротивляться окислению при высокой температуре называется жаростойкостью, способность сохранять в этих условиях достаточно высокие механические характеристики — теплоустойчивостью или жаропрочностью.
Углеродистую сталь не рекомендуется применять при температурах, превышающих 400°, прочность ее становится низкой, а при температуре порядка 500° она интенсивно окисляется.
Введением легирующих элементов — хрома, никеля, молибдена — можно существенно повысить как жаростойкость, так и теплоустойчивость; такие стали применяются при температурах до 500°. При большом содержании хрома и никеля сталь сохраняет структуру аустенита с гранецентрированной решеткой при комнатной температуре. Такие аустенитные стали являются жаропрочными, область их применения до 600—650°.
При более высоких температурах приходится применять сплавы, в которых основой является не железо, а другие элементы, например, хромоникелевые сплавы, содержащие небольшие примеси иных металлов (титан, ванадий, ниобий и т. п.). 3 некоторых из таких сплавов содержится 5—6 различных металлических компонент.
Характерной особенностью углеродистой стали является то, что при температурах 200—300° ее прочность увеличивается, а пластичность уменьшается. Это явление называется синеломкостью, потому что в указанном интервале температур на поверхности нагретого стального изделия появляется синий цвет побежалости. У других металлов и легированных сталей этого не наблюдается.
Рис. 105.
На рис. 105 представлены кривые зависимости от температуры предела текучести, предела прочности и удлинения при разрыве для углеродистой стали (сплошные линии) и хромоникелевой стали (пунктир).
