Как температура влияет на характеристики материалов: Всесторонний анализ

Существует два типа коэффициентов материала, связанных с температурой: один связан с механическими свойствами материала, а другой - с теплопроводностью. К первому относятся такие коэффициенты, как E, G, v, a, а ко второму - C (удельная теплоемкость), ρ (плотность) и k (теплопроводность).

Эти коэффициенты не являются постоянными, а изменяются в зависимости от температуры. Однако, когда температура не высока, их средние значения часто рассматриваются как константы. В условиях высокой температуры или значительных колебаний необходимо учитывать их изменения с температурой.

1. Взаимосвязь между коэффициентами упругости и температурой

Модуль упругости E и модуль сдвига G металлов уменьшаются с повышением температуры, в то время как коэффициент Пуассона v мало изменяется с температурой. Измерения E и G с температурой могут проводиться статически или динамически.

Статический метод предполагает испытание в высокотемпературной печи с использованием нагрузки, в то время как динамический метод использует вибрационные или ультразвуковые импульсные технологии.

Вибрационный метод позволяет подвергать образец упругим колебаниям в высокотемпературной печи, при этом упругие константы определяются путем измерения частоты.

Ультразвуковой метод предполагает воздействие ультразвуковых волн на образец, при этом E, G и v определяются путем измерения скорости распространения волн.

2. Зависимость между тепловым коэффициентом и температурой

Тепловой коэффициент металлические материалы как правило, имеет линейную зависимость от температуры. Коэффициент линейного расширения α имеет тенденцию к линейному увеличению при повышении температуры, в то время как теплопроводность k уменьшается при повышении температуры, а удельная теплоемкость увеличивается с повышением температуры.

Наклон линии или кривизна кривой, представляющей зависимость между тепловым коэффициентом и температурой, измеренные в ходе экспериментальных испытаний, показывают, как тепловой коэффициент конкретного материала изменяется с температурой.

Например, изменение теплового коэффициента углеродистой стали в зависимости от температуры показано на следующем графике, полученном из различных источников данных.

3. Термическая усталость материалов

При повышении температуры вязких материалов они не сразу разрушаются, даже если напряжение, которому они подвергаются, превышает предел текучести. Однако даже при низком уровне напряжения, если повторяются значительные перепады температуры, они в конце концов выйдут из строя из-за усталости, что приведет к образованию трещин. Это явление известно как термическая усталость.

Рассмотрим испытательный стержень, закрепленный на обоих концах, который подвергается многократным циклам нагревания от самой высокой до самой низкой температуры, как показано на следующей диаграмме.

Предположим, что в начале эксперимента стержень закреплен при самой высокой температуре, затем охлажден для создания растягивающего напряжения, OAF представляет собой линию изменения напряжения. При повторном нагреве кривая напряжения-деформации первоначально движется параллельно OA вниз, уступая при напряжении, меньшем, чем растягивающее усилие цикла охлаждения, и в конечном итоге достигает точки E.

Если некоторое время поддерживать самую высокую температуру, происходит релаксация напряжений, что приводит к уменьшению сжимающего напряжения и достижению точки E'. Если охлаждение возобновляется, оно возрастает вдоль точки E'F', достигая точки F' при самой низкой температуре.

Поскольку при самой низкой температуре релаксации давления не происходит, при повторном нагреве кривая падает вдоль F'E", достигая точки E" при самой высокой температуре. Вследствие релаксации напряжений напряжение уменьшается и перемещается в точку E"', если охлаждение возобновляется, оно следует по кривой E"'F", достигая точки F" при самой низкой температуре.

Если этот цикл охлаждения и нагрева повторяется, кривая напряжения-деформации каждый раз повторяет петлю гистерезиса, а связанная с этим восстановительная пластическая деформация является причиной термической усталости. Максимальная и минимальная температуры термического цикла, средняя температура, время выдержки при максимальной температуре, скорость повторения и упруго-пластические свойства материала - все это факторы, влияющие на термическую усталость.

Интенсивность термической усталости определяется зависимостью между пластической деформацией ε в цикле._P и количество повторений N для достижения отказа. Согласно эмпирической формуле Мэнсона-Коффина:

Здесь ε_f обозначает удлинение в точке разрушения материала при статическом испытании на растяжение при средней температуре термического цикла.

Вышеприведенное описание относится только к однонаправленной термической усталости материала. Однако термическая усталость в реальных конструкциях носит разнонаправленный характер и представляет собой специализированную область исследования.