Свойства материалов для энергетического оборудования.

Создание надежно работающего энергетического оборудования и эксплуатация 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 прочнее деталь. Для понимания факторов, определяющих механическую прочность деталей, необходимо иметь некоторые элементарные представления о сопротивлении материалов и деталей механическим воздействиям.

Степень напряженности 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, например, к образцу приложить внешнюю продольную силу Р, то в каждом его сечении появятся внутренние продольные силы, распределенные по сечению. Напряжение — это внутренняя сила, действующая на единицу площади сечения. Если площадь сечения рассмотренного образца 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.

В рассмотренном примере напряжения во всех точках сечения образца одинаковы. Однако в общем случае они изменяются от точки к точке.

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 а предела прочности материала _в. Если к образцу, приложить усилие Р, создающее в его сечении напряжение _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. Оно характеризует пластичность материала. Чем больше , тем меньшую склонность к внезапному хрупкому (без остаточного удлинения) разрушению обнаруживает материал.

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

В детали, работающей при высокой температуре, происходит исчерпание длительной прочности: деталь, которая при некоторых напряжениях, меньших предела текучести, при низких температурах работает вполне надежно неограниченное время, при высокой температуре может иметь лишь ограниченный срок службы, спустя который в наиболее напряженной точке детали возникнет трещина. Напряжение, при котором материал может прослужить заданное время при заданной температуре, называется пределом длительной прочности _д.п. Именно эта характеристика определяет в первую очередь возможность создания паровых и газовых турбин нового поколения. Ясно, что при рабочей температуре и заданном сроке службы напряжения в детали должны быть меньше предела длительной прочности с некоторым запасом.

Во многих случаях на детали, в частности на рабочие лопатки, 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 определенного 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 ее формой, размерами, напряжениями , действовавшими до появления трещины, и, наконец, материалом. В первом приближении

l_кр=πK_c²/σ²

где К_с — вязкость разрушения — характеристика материала, определяющая сопротивление хрупкому разрушению.

Появившиеся в материале трещины (вследствие усталости, ползучести или других причин) развиваются до критического размера. Скорость их роста определяется тремя факторами: напряжениями в области трещины, ее длиной и свойствами материала, из которого изготовлена деталь. Чем выше внешние нагрузки, чем глубже трещина и чем меньше сопротивление материала развитию трещины, тем больше скорость ее роста.