ВВЕДЕНИЕ. При нагреве (или охлаждении) тела, вследствие неодинакового расширения (или сжатия) отдельных элементов его

При нагреве (или охлаждении) тела, вследствие неодинакового расширения (или сжатия) отдельных элементов его, возникают температурные или термические напряжения.

Эти напряжения являются одним из основных факторов, которые должны учитываться при установлении режима нагрева.

Прежде чем перейти к изложению этих вопросов, необходимо хотя бы вкратце привести некоторые соображения об условиях возникновения напряжений.

В процессе нагрева или охлаждения с появлением температурного градиента в теле, находящемся в упругом состоянии, возникают температурные напряжения и если эти напряжения не превосходят предела упругости, то с исчезновением градиента исчезают и напряжения. Если же в некотором месте тела напряжения превзойдут предел упругости и, следовательно, произойдет необратимая пластическая деформация, то получится перераспределение термоупругих напряжений в той зоне, которая не была охвачена пластической деформацией. В результате после выравнивания температур в теле получаются так называемые остаточные напряжения.

Кроме температурных напряжений, в процессе охлаждения могут появиться напряжения, связанные со структурными превращениями (например, при закалке).

Возникновение или исчезновение тех или иных напряжений, а также величина и распределение их зависят, как от внешних факторов (например, условий нагрева и охлаждения), так и от механических и физических свойств материала.

С точки зрения нагрева и охлаждения, кроме тепловых свойств металла (каковы температуропроводность, теплопроводность, теплоемкость), весьма существенны свойства, характеризующие пластичность, упругость, хрупкость, прочность. Однако свойства эти не являются абсолютными и неизменными, присущими данному телу в его определенном состоянии, так как проявление этих свойств зависит от условий, создающих напряжения и деформации. Известно, что пластичный материал при определенных условиях приложения нагрузки может обнаружить хрупкость.

Изучение свойств ползучести показывает, что в условиях нагрева или охлаждения сталь обладает упругостью до 500—550˚С причем для углеродистой стали эта температура даже ниже и равна 400˚. Поэтому в практических условиях температурные напряжения должны учитываться в первом периоде нагрева, охватывающем температурный интервал от 0 до 500—550˚С.

Для мягких сталей, характеризующихся высокой пластичностью, температурные напряжения не принимают во внимание и в первом периоде нагрева.

Разрушение металла в процессе нагрева вследствие температурных напряжений произойдет в том случае, если напряжения достигнут предела прочности.

Рассматривая вопрос о разрушении металла или любого другого материала под влиянием температурных напряжений, следует иметь в виду, что с этой точки зрения опасны растягивающие напряжения; поэтому при определении допускаемой скорости нагрева следует принимать во внимание напряжения, имеющие положительный знак.

Для теоретического определения температурных напряжений были использованы уравнения из теории упругости, выведенные путем решения дифференциальных уравнений равновесия (в напряжениях) с учетом температурных расширений. В эти уравнения производилась подстановка решений уравнений теплопроводности, относящихся к тому или иному случаю нагрева, с последующими преобразованиями.

Применение указанного подхода позволило в данном случае с наибольшим упрощением получить решение для различных случаев нагрева и охлаждения.

Для большей части решений были произведены вычисления, результаты которых представлены в виде графиков, значительно облегчающих практическое использование выведенных решений.