Напряжений термическая

Рис. 174. Теоретический коэффициент концентрации напряжений (ступенчатый брус, подвергающийся растяжению) -

Повышение напряжений на участках местных ослаблений характеризуют коэффициентами концентрации напряжений. Теоретический коэффициент концентрации напряжений определяют методами теории упругости в предположении однородности и идеальной упругости материала и выражают отношением

Коэффициент концентрации напряжений (теоретический коэффициент концентрации) аа =<Ттах/0н — степень повышения напряжений при наличии концентратора напряжений (отношение максимального напряжения в зоне концентрации к номинальному в том же сечении).

трации напряжений для сварного шва без смещения кромок с данными соотношениями размеров оказывается равным 1,5—1,65. Для сварных соединений при наличии смещения кромок аналитическое определение уровня местной напряженности затруднительно и может быть использован поляризационно-оптический метод исследования напряжений на прозрачных моделях сварных соединений. В работе [125] исследована зависимость напряженности от смещения кромок сварного шва (рис. 3.3.9, б). Здесь и в дальнейшем для характеристики местного возмущения напряженного (деформированного) состояния в зоне сварного соединения трубы со смещением кромок использовалось отношение напряжений в максимально напряженной зоне сварного шва к соответствующим величинам в безмоментной зоне (номинальные напряжения и деформации), обозначаемое условно как теоретический коэффициент концентрации. Как видно из рисунка, аа может достигать величины порядка аа = 4.

На рис. 3.3.10 показаны картины распределения полос интерференции в оптических моделях сварных соединений четырех труб. Нагружение с помощью системы блоков производилось в условиях, соответствующих характеру работы сварного соединения в конструкции. Коэффициент концентрации напряжений (теоретический) подсчитывался как отношение порядковых номеров полос в зоне концентратора (мо.ментная зона) и в зоне номиналь-

Здесь F — функция, учитывающая уровень действующих напряжений он = ан/ат , степень упрочнения материала в упругопластической области — показатель т, определяемый по статической диаграмме деформирования' Ф(ан, ё"н), и уровень концентрации напряжений — теоретический коэффициент а0 в наиболее опасной точке детали.

Концентраторы напряжений (теоретический коэффициент концентрации 2,83) заметно снижают предел выносливости нержавеющих сталей (рис. 70). Существенное снижение (с 490 до 175 МПа) имеет место у стали 12Х17Н2, тогда как у стали 08Х17Н5МЗ предел выносливости снизился всего с 500 до 340 МПа. На основании полученных данных можно было бы сделать вывод о том, что сталь с более высокой твердостью (у стали 08Х17Н5МЗ HRC 40) менее чувствительна к концентрации напряжений, чем сталь с более низкой твердостью (у стали 12Х17Н2 HRC 33), что противоречит существующим представлениям. Объяснить полученные результаты можно тем, что при изготовлении концентраторов напряжений резцом сталь 08Х17Н5МЗ наклепывается значительно сильнее, чем сталь 12X17Н2, что несомненно сказалось на упрочнении дна концентратора. При изготовлении концентраторов напряжений электрохимическим методом, исключающим поверхностный наклеп металла, чувствительность обеих сталей к концентрации напряжений оказалась примерно одинаковой.

Ряс. 174. Теоретический коэффициент концентрации напряжений (ступенчатый брус, подвергающийся растяжению)

- Повышение напряжений на участках местных ослаблений характеризуют коэффициентами концентрации напряжений. Теоретический коэффициент концентрации напряжений определяют методами теории упругости в предположении однородности и идеальной упругости материала и'выражают отношением

Коэффициент концентрации напряжений теоретический 1. 297

Здесь F — функция, учитывающая уровень действующих напряжений °н = стн/°т ' степень упрочнения материала в упругоиластической области — показатель т, определяемый по статической диаграмме деформирования Ф(он, Сд), и уровень концентрации напряжений — теоретический коэффициент аа в наиболее опасной точке детали.

При экономической нецелесообразности применения дорогостоящих высоколегированных сталей используют малоуглеродистые низколегированные стали с припуском на коррозию иногда до 6—10 мм с учетом скорости проникновения коррозии и расчетного срока эксплуатации оборудования. Однако во избежание сероводородного растрескивания эти стали должны применяться при ограниченной твердости металла — не выше HRC 22. Это ограничение накладывается и на металл сварного соединения. Кроме того, все сварные соединения должны быть подвергнуты послесварочной обработке. Наиболее распространенный метод снятия остаточных сварочных напряжений — термическая обработка сварного соединения (высокий отпуск). При этом очень существенны скорости нагрева и охлаждения, которые обязательно регламентируются для каждой из марок сталей. Так, для малоуглеродистых сталей типа стали 20 режим термической обработки следующий: нагрев до температуры 893^933 К; выдержка после прогрева 1 ч; скорость нагрева 523—573 К/ч; охлаждение до 573 К совместно с печью. И только для стыков диаметром менее 114 мм, имеющих толщину стенки менее 6 мм, режим может быть упрощен увеличением скорости нагрева до 873 К/ч, сокращением времени выдержки до 0,5 ч и нерегулируемым охлаждением.

Снизить или устранить вредное влияние внутренних растягивающих напряжений можно двумя путями: термической обработкой или созданием в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений. Термическая обработка — наиболее широко применяемый и высокоэффективный способ устранения или снижения внутренних напряжений в металле. Однако подобрать оптимальные режимы для достижения нужного результата довольно сложная задача. Необходимо учитывать состав стали, требования прочности конструкции, ее размера и конфигурацию, учитывать возможность появления нежелательных побочных эффектов (например, возникновение склонности к МКК).

Помимо природы компонентов, составляющих композиционный материал, наличия в матрице растворенных элементов, содержащихся в упрочнителе, важным фактором, определяющим коррозионное поведение материала, является режим термической обработки, предшествующий испытаниям. Фактически коррозия композиционных материалов всегда происходит под напряжением, т. е. под действием остаточных напряжений. При испытаниях на коррозию под напряжением обычных металлов наименее подвержены коррозии участки, находящиеся под действием сжимающих напряжений. Термическая обработка способна в значительной мере изменять уровень остаточных напряжений и даже изменить их знак. Например, после обработки холодом боралюминия остаточные напряжения в матрице из растягивающих становятся сжимающими. Соответственно уровню и характеру остаточных напряжений может изменяться и коррозионная стойкость материала.

Марка стали Вид концентратора напряжений Термическая обработка Пределы выносливости

обходимо учитывать весь комплекс признаков. Тщательному обследованию должны быть подвергнуты также показатели качества рабочей среды. Если качество рабочей среды дает основание предполагать коррозионное растрескивание, то при установлении причины повреждения этот фактор следует считать одним из наиболее важных. Дополнительные трудности при анализе разрушений может внести одновременное влияние на металл переменных термических напряжений. Термическая устойчивость при наличии коррозионно-активной среды применительно к нуждам теплоэнергетики не исследована, и показателей, 'Корректирующих указанные выше признаки с учетом действия переменных термических напряжений, не выработано.

При изготовлении указанных узлов из малоуглеродистой спокойной стали, соблюдении правил проектирования и изготовления, исключающих появление в изделии недопустимых конструктивных и технологических концентраторов напряжений, термическая обработка может, как правило, не производиться. Многочисленные примеры успешной работы ответственных сварных узлов без термической обработки, в том числе и изделий большой толщины, подтверждают справедливость этого положения. Анализ причин аварий сварных конструкций показывает, что в подавляющем большинстве случаев они обусловлены нарушением правил проектирования, приводящим к появлению весьма острых концентраторов в сварном соединении или наличию грубых дефектов изготовления. Поэтому, имеющиеся ограничения по предельной толщине свариваемых элементов ответственных сварных конструкций, согласно которым разрешается не производить их отпуск (например, толщины 36 мм для узлов, работающих под давлением), следует рассматривать, прежде всего исходя из трудности обеспечения при изготовлении сложных конструкций полного отсутствия дефектов и особенно трещин. Следует полагать, что в дальнейшем, с повышением эффективности методов контроля и совершенствованием правил проектирования и методов изготовления, эти предельные толщины будут повышены.

Для ферритно-мартенситных сталей целью термической обработки является получение отпущенного мартенсита и снятия остаточных напряжений. Термическая обработка ферритных сталей чаще всего не проводится, а если и проводится, то для снижения уровня остаточных напряжений. У аустенитных и^аустенитно-ферритных сталей задачей термической обработки может быть восстановление стойкости против межкристаллитной коррозии в ЗТВ (коррозионностойкие стали), пла-

Для ферритно-мартенситных сталей целью термической обработки является получение отпущенного мартенсита и снятие остаточных напряжений. Термическая обработка ферритных сталей чаще всего не проводится, а если и проводится, то для снижения уровня остаточных напряжений. У аустенитных и аустенитно-ферритных сталей задачей термической обработки может быть восстановление стойкости против межкристаллитной коррозии в ЗТВ (коррозионно-стойкие стали), пластичности и вязкости, а также предотвращение околошовных разрушений при эксплуатации (жаропрочные стали).

Большинство машин и аппаратов в процессе эксплуатации находится под одновременным воздействием циклически изменяющихся нагрузок и различных коррозионных сред, что обусловливает коррозионно-усталостное разрушение металла. Почти все методы, направленные на повышение сопротивления сплавов одновременному воздействию коррозионных сред и циклических напряжений (термическая и термомеханическая обработка, рафинирование, легирование, пластическая деформация, диффузионное насыщение, нанесение гальванических покрытий и т. д.), основаны на изменении структурно-напряженного состояния металла в объеме или в поверхностных слоях.