Механические свойства конструкционных материалов в энергомашиностроении

Создание надёжно работающего энергетического оборудования невозможны без обеспечения механической прочности его деталей, которая определяется двумя основными факторами: действующими и предельными нагрузками (прочностью), которые может выдержать материал деталей без разрушения. Чем меньше нагрузки по отношению к предельным, тем больше вероятность сохранения детали. Ниже рассмотрены основные сведения о сопротивлении материалов и деталей механическим воздействиям.

Степень напряжённости материала под действием приложенных к нему сил характеризуется механическим напряжением. При приложении к некоторому телу внешних сил внутри него возникают напряжения - внутренние силы, препятствующие разрушению тела. Если к детали приложить внешнюю продольную силу Р, то в каждом её сечении появятся внутренние продольные силы, распределённые по сечению. Напряжение - это внутренняя сила, действующая на единицу площади сечения. Если площадь сечения рассмотренной детали F = 1 см², а растягивающая сила Р = 1 Н, то напряжения в сечении s = P/F = 1 Н/см². Таким образом, размерность напряжения совпадает с размерностью давления и поэтому его чаще всего измеряют в МПа или кгс/см².

Для оценки механической прочности детали в ней определяют напряжения, находят опасную точку, в которой они максимальны, а затем сравнивают их с характеристикой прочности материала детали.

При работе материала при постоянных напряжениях и невысоких температурах его разрушение наступает при достижении напряжением s предела прочности материала s_в. Если к образцу приложить усилие Р, создающее в его сечении напряжение s_в, то он разрушится, получив при этом остаточное (необратимое) удлинение: сумма длин частей разрушенного образца будет больше, чем его первоначальная длина. Отношение приращения длины образца к первоначальной длине называется относительным удлинением d. Оно характеризует пластичность материала. Чем больше d, тем меньшую склонность к внезапному хрупкому (без остаточного удлинения) разрушению обнаруживает материал.

Для оценки надёжности детали, работающей при постоянных во времени напряжениях, обычно используется не предел прочности, соответствующий разрушению, а меньшая величина - предел текучести s_s. Предел текучести - это те напряжения, при которых появляются первые пластические деформации после упругого деформирования. Деталь считается спроектированной надёжно, если в ней не возникает пластических деформаций, т.е. её материал работает в зоне упругости. Иногда пластические деформации все-таки допускаются, но тогда вводят дополнительные меры, обеспечивающие прочность детали.

Во многих случаях на детали, в частности на рабочие лопатки турбины, действуют переменные во времени нагрузки, вызывающие в них переменные напряжения. В этом случае при амплитуде напряжений, даже существенно меньшей предела текучести, в материале может возникнуть явление усталости. После определённого числа циклов нагружения в детали возникает трещина усталости.

Не каждая трещина, появившаяся в результате усталости, исчерпания длительной прочности или просто оставшаяся необнаруженной в процессе изготовления, представляет непосредственную опасность для детали. Дефекты малого размера имеются практически в каждой изготовленной детали, и часто она работает с ними многие годы. Хрупкое разрушение наступает лишь при достижении трещиной критического размера l_кр, определяемого её формой, размерами, напряжениями s, действовавшими до появления трещины, и, наконец, материалом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ЛЕКЦИИ 2

1. Характерный вид кривой зависимости температуры насыщения пара от давления – 3 балла.

2. Какие параметры пара называют критическими? – 3 балла.

3. Сверхкритические и суперсверкритические параметры пара – 3 балла.

4. Какой пар называется влажным? – 3 балла.

5. Какой пар называется перегретым? – 3 балла.

6. Что такое степень напряжённости материала? – 3 балла.

7. Когда наступает хрупкое разрушение материала? – 3 балла.

ЛЕКЦИЯ 3