СВОЙСТВА ПРИ ВЫСОКИХ И НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

С повышением температуры механические свойства материалов изменяются. пределы прочности, пропорциональности и текучести, а также модуль упругости убывают; пластичность обычно увеличивается, но при некоторых температурах она может и понижаться.

Для большинства конструкционных материалов при нормальной температуре статическая прочность практически не зависит от времени приложения нагрузки. При повышенных температурах, а для некоторых материалов (типа полимеров) даже при нормальной, статическая прочность зависит от длительности нагружения, так как с течением времени могут меняться механические свойства материала, размеры детали и распределение в ней напряжений. Поэтому при высоких определяют не только обычные механические характеристики при кратковременных испытаниях, но и характеристики при продолжительной работе. Прочность материала называют в этом случае длительной, прочностью.

Для определения механических свойств образца при продолжительной работе его нагревают в электропечи, установленной на разрывной машние, нагружают и отмечают время до разрушения Чем выше напряжение, тем быстрее разрушается образец.

Напряжение, при котором образец разрушается не ранее заданного времени, называют пределом длительной прочности Обозначение указывает, что при напряжении образец разрушается не менее чем через Предел длительной прочности всегда ниже предела прочности при кратковременном испытании.

Зависимость предела длительной прочности стдл от времени при постоянной температуре называют кривой длительной прочности. В двойных логарифмических координатах эта зависимость в определенных пределах имеет вид прямой линии (рис. 4):

или

где и С — постоянные для данной температуры испытания. Чем выше температура, тем меньше показатель степени и тем быстрее убывает по времени предел длительной прочности. Пределы длительной прочности для некоторых материалов приведены в табл 2. По данным таблицы

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

и формуле (7) можно найти значение постоянных

Например, для сплава при откуда

Размеры нагруженных при высокой температуре деталей с течением времени непрерывно меняются, что может нарушить работу машины. Это явление называют ползучестью. При испытании на ползучесть к нагретому образцу прикладывают постоянную нагрузку и через определенные промежутки времени измеряют удлинение образца Зависимость остаточной деформации от времени испытаний при постоянном напряжении и постоянной температуре называют кривой ползучести (рис. 5).

Остаточная деформация вначале быстро нарастает (стадия — неуста новившаяся ползучесть), затем в течение основного времени работы скорость ползучести остается примерно постоянной (стадия II — установившаяся ползучесть), наконец, перед разрушением образца скорость ползучести быстро нарастает (III стадия). Чем выше напряжение и температура, тем быстрее развивается ползучесть.

Наибольшее напряжение, при котором деформация ползучести за определенный период времени не превышает заданного значения, называют пределом ползучести (обозначение указывает, что при напряжении ползучесть за вызывает относительное остаточное удлинение Пределы ползучести некоторых сплавов приведены в табл. 2.

Рис. 5. Кривые ползучести при разных постоянных напряжениях

Когда общая деформация детали по условиям работы остается неизменной (например, вытяжка болта в резьбовом соединении), увеличение с течением времени пластической деформации приводит к уменьшению упругой деформации и падению напряжения (в данном случае к ослаблению резьбового соединения). Это явление называют релаксацией напряжений.

Наконец, при высоких температурах происходит интенсивное окисление ряда материалов. В неравномерно нагретых конструкциях ползучесть приводит с течением времени к перераспределению напряжений: в горячих зонах напряжения уменьшаются, в более холодных — увеличиваются. Это должно учитываться в расчетах на длительную прочность.

Применение обычных конструкционных сталей в условиях значительной напряженности ограничено температурой Жаропрочные стали и сплавы на основе никеля и тугоплавких металлов применяют при температурах до и выше. При еще более высоких температурах применяют металлокерамические и керамические материалы.

Температурный диапазон применения ряда материалов может быть расширен при использовании защитных жаростойких покрытий.

При очень низких (или, как их иногда называют, криогенных) температурах механические свойства материалов также меняются повышается прочность и снижается пластичность.

При снижении температуры от нормальной до пределы прочности и текучести сталей возрастают

в среднем на 20—30%. Относительное удлинение и особенно относительное сужение заметно уменьшаются, т. е. материал становится более хрупким. Усиливается чувствительность материала к концентрации напряжений, поэтому прочность надрезанных образцов с понижением температуры обычно падает.

Для каждого материала имеется предельная температура, ниже которой его применение в конструкциях становится недопустимым из-за высокой хрупкости.