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

Температура в °С	Коэффициент линейного расширения β·10^-6	Модуль упругости E в кг/мм^2	Произведение β· E	Температура в °С	Коэффициент линейного расширения β·10^-6	Модуль упругости E в кг/мм^2	Произведение β· E
100 150 200 250 300 350 400 450 500	12,7 13,0 13,4 13,7 14,0 14,2 14,4 14,7 15,1	20000 19500 19000 18500 18000 17600 17200 16700 16000	0,254 0,254 0,255 0,254 0,252 0,250 0,248 0,246 0,242	550 600 650 700 750 800 850 900	15,6 16,2 17,0 18,0 21,0 23,0 24,0 24,0	15000 14000 12000 10500 9000 7700 6000 4500	0,234 0,226 0,204 0,189 0,189 0,177 0,144 0,103