ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Усталость и термическая усталость из "Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов Издание 3 " Повреждение деталей котлов и трубопроводов в ряде случаев вызваны малоцикловой термической усталостью металла. Нагрузки, изменяющиеся во времени, возникают при пусках и остановках, а также при переходных режимах. Эти нагрузки связаны с изменением температуры и давления рабочей среды и играют все большую роль в обеспечении надежности в связи с увеличением использования энергоблоков в маневренных режимах. [c.46] Усталость металлов — явление разрушения в результате многократных повторных нагружений. Процесс усталости связан с постепенным накоплением дефектов кристаллической решетки. В процессе многократных нагружений в металле может возникнуть трещина, развивающаяся постепенно до момента, когда происходит внезапное хрупкое разрушение. [c.46] Усталостное разрушение может вызывать напряжение меньше предела текучести и даже меньше предела упругости. Разрушение усталостного характера можно наблюдать на валах или лопатках дымососов и вентиляторов. [c.46] Закон изменения напряжения во времени может быть произвольным. Лабораторные исследования усталостной прочности обычно проводят при циклически изменяющихся напряжениях, когда величина напряжения изменяется во времени по синусоидальному закону, а максимальное напряжение в цикле по абсолютной величине равно минимальному и противоположно по знаку. [c.46] Такие напряжения характерны для вращающихся деталей машин. Цикл называется симметричным и характеризуется одним напряжением. [c.46] Малоцикловая усталость — явление разрушения при напряжениях выше физического предела усталости. Заданное число циклов для сталей при комнатной температуре равно обычно 5—10 млн. Если сталь под действием какого-то циклически изменяющегося напряжения не разрушилась при комнатной температуре в результате 5—10 млн. циклов, то она не разрушится и при большем числе циклов. [c.47] Практически оказалось удобным обрабатывать результаты испытания на усталость в полулогарифмических координатах о — lgЛ (рис. 1.15, б). По горизонтальной оси откладывают логарифмы числа циклов до разрушения. При обработке результатов эксперимента в полулогарифмических координатах получаются два прямолинейных участка. Это облегчает интер- и экстраполирование результатов опытов. [c.47] Чтобы не вызывать заметной концентрации напряжений, детали, работающие на усталость, стараются выполнять с плавными переходами. Чем чище обработана поверхность, тем выше предел усталости. При повышении рабочей температуры предел усталости обычно уменьшается. [c.47] На рис. 1.16, а в качестве примера показан излом разрушившегося от усталости вала дымососа котла ТПП-110 блока мощностью 300 МВт. [c.48] Металл состоит из отдельных беспорядочно ориентированных кристаллов неправильной формы - зерен. При повторных нагружениях в отдельных, наименее благоприятно ориентированных, зернах возникает сдвиг — пластическая деформация. При многократных повторных нагружениях в противоположные стороны в неблагоприятно ориентированных зернах по линиям скольжения постепенно развивается трещина — она проходит через все зерно, пересекает границу и распространяется на соседние зерна. Постепенно трещина разрастается. Сечение неослабленного металла все уменьшается, и при каком-то очередном нагружении металл внезапно разрушается от усталости. [c.49] Термическая усталость — разрушение от периодически возникающих и изменяющихся во времени термических напряжений, обусловленных расширением металла деталей при нагревании или сжатием при охлаждении. При быстром нагреве или охлаждении поверхности толстостенной детали по ее сечению возникает перепад температур. Разность температур в детали приводит к образованию термических напряжений. Так, в нагреваемом стержне наружные слои нагреваются сильнее. Если бы они не были связаны с внутренними слоями, то длина их увеличилась бы в соответствии с законом линейного расширения, однако внyтpeн иe, более холодные слои препятствуют этому расширению. В результате этого наружные слои оказываются сжатыми, а внутренние — растянутыми. При охлаждении характер напряжений изменяется в обратном порядке. [c.49] В деталях котлов и трубопроводов при резком наборе или сбросе нагрузки, а также при аварийных остановках могут возникать напряжения, превышающие предел текучести. Повторное многократное приложение таких напряжений приведет к разрушению от малоцикловой усталости. Для этих напряжений обычно свойствен случайный характер изменения во времени при асимметричном цикле. В процессе изменения температурных напряжений возникает упругая деформация, упруго-пластическая статическая или упруго-пластическая деформация по механизму ползучести. Усталость в упругой области — малоцикловая усталость. Усталость в упруго-пластической области — малоцикловая усталость. При упруго-пластической деформации по механизму ползучести накладываются два процесса усталость и ползучесть. Величина термических напряжений и вызываемая ими деформация зависят от степени стеснения деформации. При свободном расширении равномерно нагреваемого стержня степень стеснения деформации отсутствует температурные напряжения равны нулю. [c.49] Термические напряжения тем больше, чем больше коэффициент линейного расширения, модуль упругости и градиент температур. [c.50] При однократном охлаждении от средней температуры (Гг-Ь + Г )0,5 в стержне возникает деформация, равная а Т — 72)0,5, где а — коэффициент линейного расширения материала стержня. Эта деформация протекает по упругому механизму на участке ОА и по пластическому на участке А) (рис. 1.17). [c.50] При разгружении стержня из-за нагрева наклепанный материал стержня деформируется упруго до точки В, а затем начинает воспринимать пластическую деформацию обратного знака (участок В2 на рис. 1.17). После нескольких первых циклов нагружения (охлаждения и нагрева) устанавливается вполне определенная зависимость между циклическими деформациями и напряжениями, представляющая собой на графике петлю гистерезиса (изображена сплошной линией со стрелками). [c.50] Основным параметром, влияющим на накопление повреждаемости за цикл термического воздействия на металл, является суммарная пластическая деформация, которая и используется для количественной оценки долговечности при многократном термоциклировании. [c.51] Термические напряжения пропорциональны и температуре. Механические свойства сталей и сплавов и в меньшей степени коэффициент линейного расширения зависят от температуры. При одинаковом термоцикле число циКоПов до разрушения тем меньше, чем выше максимальная температура цикла. [c.51] На долговечность влияют частота изменений температуры, длительность периода выдержки между термическими циклами и агрессивность рабочей среды. Трещины термической усталости соответствуют обычно так называемой малоцикловой усталости, т. е. макротрещина появляется при 10 —10 циклах. [c.51] Термические напряжения достигают максимума на поверхности детали, где и образуются трещины. Так как при термическом воздействии определяющими напряженного состояния являются тепловые расширения, то термические напряжения релак-сируют со временем. Поэтому трещины термической усталости обычно распространяются с затухающей во времени скоростью. После образования первых трещин в их окрестностях термические напряжения снижаются из-за повышения локальной податливости металла новые трещины розникают на соседних участках металла. Для термической усталости характерна сетка трещин. [c.51] На образование трещины определенное влияние оказывают неровности поверхности, играющие роль концентраторов напряжений. Чем более гладкая поверхность, тем больше циклов выдерживает деталь до образования трещин. Наличие коррозионно-активной среды ускоряет появление и рост трещин термической усталости. [c.51] Вернуться к основной статье