Термическая усталость. Влияние температуры испытания

В реальных условиях при повышенных температурах у материалов на­блюдаются одновременно усталостные процессы и ползучесть. Большое зна­чение имеет усталость в условиях циклического изменения температуры, например в материалах камеры сгорания двигателей, поверхности прокатных валков, котлов и т. д. Если температура изменяется при постоянном напря­жении, то мы имеем дело с типичной термической усталостью.

Термическая усталость — это деформация и разрушение материала под действием повторяющихся нагревов и охлаждений.

Разрушение здесь происходит как при циклическом нагружении (под действием напряжений), так и при ползучести, происходящей вблизи макси­мальной температуры цикла.

Замечено, что по сравнению с действием постоянной температуры при циклическом изменении существенно возрастает подвижность дислокаций и увеличивается число вакансий. Все это приводит к ускорению процессов ползучести и уменьшению длительной прочности.

В условиях усталости при высоких температурах, как и при ползучести, формируется субзеренная структура, трещины часто распространяются по границам зерен. Сами трещины зарождаются в стыках между зернами в мес­тах больших скоплений дефектов и напряжений.

Значение термических напряжений определяют по уравнению

G^ = EaAt/(l-n),

где Е — модуль упругости; а — коэффициент линейного расширения; At — температурный интервал; ц — коэффициент Пуассона.

Величина температурного перепада зависит от теплопроводности мате­риала, условий нагрева и охлаждения и масштабного фактора деталей.

В основном условия термоциклирования отвечают малоцикловому на-гружению, при котором сжатию способствует максимальная температура цикла, а растяжению — минимальная. Термическая усталость отличается от механической тем, что при термоциклировании напряжения в основном оп­ределяются упругопластическими свойствами материала.

Уменьшающиеся величины деформации при термоциклировании поло­жительно влияют на термическую усталость. Этого можно достичь за счет уменьшения коэффициента линейного расширения и увеличения теплопро­водности материала, но при этом не должно наблюдаться снижение жаро­прочности. Достичь изменения теплофизических и механических свойств одновременно за счет изменения структуры и химического состава материа­ла сложно. Повысить прочность и жаропрочность можно с помощью легиро­вания, но теплопроводность при этом уменьшается.

Рост термической усталости (термостойкости) может отчасти наблю­даться за счет уменьшения концентраторов напряжений: металлургические — грубые включения различных фаз; технологические — надрезы, задиры; раз­личные конструктивные.