Оценка температурных напряжений в слябах их сплавов типа 48-ОТ3В при ускоренном режиме нагрева » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Оценка температурных напряжений в слябах их сплавов типа 48-ОТ3В при ускоренном режиме нагрева

02.11.2020

Механические свойства сплава 48-ОТЗВ в значительной степени зависят от содержания растворенных в нем водорода, кислорода, азота и других газов. Поскольку интенсивное поглощение водорода начинается примерно с 300°, а кислорода — с 700°, нагрев изделий стремятся проводить так, чтобы диффузия газов в сплав была ограниченной.

Как известно, для уменьшения диффузии газов при нагреве используют защитные покрытия, нейтральную среду, вакуум. Применение такого рода защиты при нагреве дает определенный положительный результат, но недостатком является значительное удорожание производства.

В 1962 г. филиалом ЦНИИМС был предложен режим нагрева сравнительно тонких слябов. Сущность этого способа нагрева сводилась к сокращению до минимума времени пребывания нагреваемого изделия в окислительной атмосфере печи и, следовательно, к уменьшению времени диффузии газов в сплав.

Как показали результаты опытных нагревов по указанному методу, глубина газонасыщенного слоя на листах и наводороживание были практически такими же, как и при нагреве слябов с защитными покрытиями из алюминия и эмали 40—32.

Однако применение ускоренного режима нагрева хотя и следует считать практически оправданным, с инженерной точки зрения внедрение его недостаточно обосновано. Дело в том, что в условиях ускоренного режима нагрева между центром изделия и его поверхностью возникают значительные температурные перепады, что может привести к по явлению опасных температурных напряжений. Чтобы эти напряжения не превзошли допускаемых величин, необходимо правильно их оценивать и в соответствии с этим выбирать приемлемую скорость нагрева.

Для выбора допускаемой скорости нагрева можно воспользоваться той же зависимостью, которую обычно применяют для определения до пускаемых скоростей при нагреве плоских стальных заготовок:
Оценка температурных напряжений в слябах их сплавов типа 48-ОТ3В при ускоренном режиме нагрева

где С — допускаемая скорость нагрева, град./час.;

а — температуропроводность, м2/час;

од — допускаемое напряжение, кгс/мм2;

а — коэффициент линейного расширения, 1/град.;

E — модуль упругости, кгс/мм2;

S — половина толщины нагреваемого изделия, м.

Для сплава 48-ОТЗВ скорость нагрева будем определять при следующих средних в интервале температур 20—500° значениях величин, входящих в формулу (1): а = 0,023 м2/час; од =-80 кгс/мм2; а = 8,8*10в-6 1/град.; Е = 11,7*10в3 кгс/мм2; 25 = 0,16 м.

Подставив эти величины в формулу (1) и выполнив необходимый расчет, получим С=5900 град./час. Это значит, что в период действия напряжений скорость нагрева не должна превышать предельно возможной величины равной 5900 град./час. Причем такая скорость для данных условий достигается через 16,5 минут, так как выражение (1) получено из формулы

где oy=oz — составляющие нормальных напряжений, параллельные осям у и z, кгс/мм2;

u — коэффициент Пуассона;

т — время, час.;

х — текущая координата по толщине сляба, м;

aт/S2 — безразмерное время (критерий Фурье);

x/S — относительная координата.

Формула (1) справедлива при т > S2/a (для нашего случая т = 0,08в2/0,023 = 0,278 или 16,5 минут).

Оценка температурных напряжений при ускоренном нагреве сляба из сплава 48-ОТЗВ толщиной 160 мм будет приведена ниже.

Сравнение расчетного времени достижения допускаемой скорости нагрева с данными рис. 1 показывает, что условие т > S2/a не соблюдено: в действительности предельная скорость нагрева была достигнута за 5 минут вместо 16,5 минут.

Развить такую высокую скорость за очень малый промежуток времени можно было только за счет форсированного нагрева, обеспечившего на исходе пятой минуты разность температур между поверхностью и центром сляба в 350° (рис. 1). При нагреве стальных заготовок такие форсированные режимы обычно не применяют.

Используя формулу (1), определим, какие допускаемые скорости нагрева можно получить для плоских заготовок различных толщин из стали и сплавов на основе титана. Оказывается, стальная заготовка из среднелегированной стали толщиной 160 мм (2S) должна иметь допускаемую скорость нагрева 1800 град./час., плита из сплава толщиной 300 мм — 1670 град./час., стальная плита такой же толщины — 520 град./час. Эти данные свидетельствуют о том, что для материалов различных толщин допускаемые скорости нагрева различны. Практически их несложно получить в печах, отапливаемых газом. При этом скорость нагрева можно контролировать с помощью термопар, вмонтированных в нагреваемое изделие.

Оценку температурных напряжений можно сделать приближенно, допуская линейное изменение температуры на поверхности сляба со скоростью, равной допускаемой скорости нагрева. Более точно температурные напряжения определяют по кривой нагрева, полученной с помощью термопары. В нашем случае расчет температурных напряжений производился по кривой изменения температуры на поверхности сляба, нагреваемого в пламенной печи по ускоренному режиму (рис. 1).

Расчет температурных напряжений в слябе производился по уравнению из теории упругости, выведенному путем решения дифференциальных уравнений равновесия и подстановки в них соответствующих решений уравнения теплопроводности:

Формулы (1), (2) и (3) получены при следующих допущениях: 1) нагреваемое тело однородно и изотропно; 2) физические и упругие характеристики не зависят от температуры; 3) температурное расширение пропорционально температуре.

При испытаниях на ползучесть установлено, что упругие свойства сплава 48-ОТ3В в интервале температур 20—500° изменяются незначительно, поэтому оценка температурных напряжений производилась в начальный период нагрева.

В связи с незначительным температурным интервалом, в пределах которого используются формулы (1), (2) и (3), изменение физических и механических характеристик с температурой нами не учитывалось: расчеты выполнялись по средним значениям входящих в формулу величин. В технике такие расчеты выполняются довольно часто, и для практики они вполне оправдывают себя. Целесообразность таких расчетов подтверждается еще и тем, что сами решения уравнений теплопроводности и упругости, с помощью которых выводятся формулы (1), (2) и (3), получены в предположении неизменности физических и механических характеристик с температурой. В противном случае уравнение теплопроводности, например, становится нелинейным, и решение его связано с большими трудностями.

Абсолютная величина и распределение температурных напряжений по сечению сляба в момент времени, соответствующий точке А на кривой нагрева (рис. 1), показаны на рис. 2, из которого видно, что максимальное растягивающее напряжение у сляба толщиной 0,16 м составляет немногим более 32 кгс/мм2, а сжимающее — 67 кгс/мм2. При этом сжатыми оказываются верхние слои, а растянутыми — внутренние. При охлаждении картина будет обратной. Можно показать, используя уравнение (3), что нейтральное сечение, в котором oy=oz=0, находится на расстоянии x=0,58S от поверхности.

Максимальное растягивающее напряжение определяли также путем прямой подстановки в формулу (3) максимальной разности At (рис. 1) между поверхностью и центром нагреваемого сляба, равной 350°. При этом величина максимального растягивающего напряжения оказалась равной 30 кгс/мм2 вместо 32 кгс/мм2 по расчету. Такое расхождение допустимо, и его можно считать вполне удовлетворительным. Другие расчетные точки не проверялись, так как проверка теплового расчета в этих точках при ускоренном нагреве в нашу задачу не входила.

Как видно из уравнения (3), при определенной скорости нагрева данного материала температурные напряжения растут с увеличением толщины нагреваемого изделия. Численные значения этих напряжений для различных толщин слябов из сплава 48 ОТ3В при скорости нагрева 5900° будут следующими:

Как видно, напряжения, вызванные температурными расширениями, могут составлять значительную долю от временного сопротивления разрешению, поэтому необходимость оценки их и выбора приемлемой скорости нагрева совершенно очевидна. Необходимость эта подтверждается еще и тем, что напряжения от действия температур могут усиливаться за счет остаточных напряжений, возникающих в теле при охлаждении, предшествующем процессу нагрева. Усиление термических напряжений за счет остаточных происходит потому, что остаточные напряжения имеют одинаковый знак с напряжениями при нагреве, и величину суммарных напряжений в связи с этим установить практически невозможно.

Заключение


В работе произведена оценка температурных напряжений при ускоренном режиме нагрева слябов из сплава 48-ОТЗВ с предельной скоростью 5900 град./час. Установлено, что температурные напряжения составляют значительную долю от допускаемых. Это указывает на необходимость тщательного выбора приемлемой скорости нагрева, когда толщина нагреваемого изделия будет больше 160 мм.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: