11.2.2. Температурные напряжения и допускаемая скорость нагрева

В процессе нагрева тела в нем возникают температурные напряжения, вели­чина которых зависит от скорости нагрева, вызывающей разность температур в теле. Чем больше скорость нагрева, тем больше разность температур, а сле­довательно, и выше температурные напряжения.

Если в малопластичном металле величина температурных напряжений пре­взойдет величину предела прочности при растяжении, то в металле могут обра­зоваться трещины. Наиболее опасным интервалом температур, при котором в металле возможно образование трещин, является интервал от 0 до 500…550 °С, так как в этом интервале металл обладает малой пластичностью. Нагрев с тем­ператур выше 500…550 °С неопасен, так как температурные напряжения исче­зают благодаря возникновению высокой пластичности металла.

Высказанные выше опасения относительно нагрева с большой скоростью в интервале температур от 0 до 500…550 °С не относятся к малоуглеродистым ста­лям, так как последние обладают достаточной пластичностью даже при низких температурах и поэтому могут нагреваться с любой скоростью. Скорость нагрева не лимитируется также для углеродистых и легированных конструкцион­ных сталей, если размеры деталей невелики и возникающие напряжения не успевают достичь опасной величины.

С точки зрения пластичности различают стали трех групп:

а) с пониженной пластичностью, у которых удлинение не превосходит 15 % (высокоуглеродистые, хормистые и т.п.);

б) со средней пластичностью, у которых удлинение достигает 25 % (конструк­ционные легированные стали);

в) с высокой пластичностью, у которых удлинение превышает 25 % (мало углеродистые).

Необходимо также учитывать, что после некоторых производственных про­цессов горячей обработки (ковка, литье) в металле в период охлаждения воз­никают остаточные напряжения, которые складываются с температурными напряжениями, образующимися при последующем нагреве. В этом случае, так же как и в малопластичных металлах, суммарные температурные и остаточ­ные напряжения могут превзойти величину предела прочности при растяжении, что приведет к разрушению металла.

Из этого следует, что допускаемая скорость нагрева лимитируется допускае­мым напряжением, что необходимо учитывать при определении времени на­грева. Максимально допустимая величина температурных напряжений опреде­ляется по формулам (Н.Ю. Тайц):

для цилиндра

для пластины

Допускаемая скорость нагрева для сталей определяется из выражений:

для цилиндра

для пластины

Допускаемая разность температур будет равна:

для цилиндра

для пластины

Здесь β – коэффициент линейного расширения (для железа β = 12·10^-6);

E – модуль упругости на растяжение и сжатие;

δ_доп – допускаемое напряжение;

α – коэффициент температуропроводности.

Приведенные выше формулы позволяют на основании разности температур между поверхностью тела и его центром определить предельные температурные напряжения, возникающие в металле при его нагреве, или, задавшись напряжением, можно определить разность температур, по которой определяется максимальная скорость нагрева малопластичных металлов.

Значения β и Е для среднеуглеродистых конструкционных сталей и хромистых типа ЩХ15 приведены в табл. 11.45.

Таблица 11.45

Значения коэфициента линейного расширения и модуля упругости для среднеуглеродистых сталей при различных температурах