ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Механические свойства металлов при высоких температурах из "Слесарь по ремонту трубопроводов и пароводяной арматуры Издание 2" Выше рассматривались основные свойства металлов при нормальной температуре, которая условно принимается 20° С, и нормальном атмосферном давлении. Между тем материалы, применяемые для трубопроводов, работают в иных, более сложных условиях при высоком внутреннем давлении в сочетании с высокой температурой, наличии сил трения (воды, пара или золы о стенки труб) и при разъедающем воздействии солей, кислот и щелочей. [c.28] Если внутреннее давление вызывает в металле труб только деформацию растяжения, то высокая температура увеличивает линейное расширение металла, что в свою очередь (при трубопроводах, закрепленных в опорах) вызывает деформацию изгиба, а в некоторых случаях (например, на участках, гнутых в двух плоскостях) и деформацию кручения. Под действием высоких температур происходит разупрочнение внутренних связей атомов металла. Соли, кислоты и щелочи понижают химическую стойкость металла и вызывают его коррозию. [c.28] Наилучшим конструкционным материалом, способным длительное время сохранять механические свойства при высокой температуре в сочетании с химическим воздействием среды, является сталь. Однако при температуре выше 400° С в сталях развиваются особые явления, которые резко изменяют механические свойства металла и понижают его способность противодействовать внешним нагрузкам. [c.29] Предел прочности при растяжении у мягкой стали увеличивается с повышением температуры до 300° С, а при более высоком нагреве резко падает и при температуре 500°С составляет около 50% предела прочности при температуре 20°С. [c.29] Предел текучести у мягкой стали марки 10 при температуре 20° С равен 26,5 кПмм , а при температуре 500° С составляет всего лишь 6,5 кГ/мм , т. е. понижается более чем в 4 раза. С повышением температуры все металлы теряют свои упругие свойства. [c.29] Ударная вязкость стали при температуре ниже 0° С и в интервалах температур 300—600° С и 900—1000° С резко понижается, что увеличивает хрупкость стали. Снижение вязкости и повышение хрупкости стали при температуре ниже 0°С называется хладноломкостью, в интервале температур 300—600° С — синеломкостью и в интервале температур 900—1000° С — красноломкостью. Синеломкость и красноломкость характеризуются изменением цвета стали при нагреве синий — при температуре около 300° С и красный — при температуре около 900° С. Повышению хрупкости способствуют вредные примеси в стали хладноломкости — фосфор, синеломкости — кислород и красноломкости — сера. [c.29] Длительная работа металла труб под давлением в сочетании с высокой температурой (выше 400° С) вызывает остаточную деформацию удлинения металла, увеличивающуюся с течением времени. Это явление называется ползучестью металла, или крипом. Ползучесть приводит к увеличению диаметра трубопровода, что вызывает утонение его стенок. Утонение может достигнуть такой величины, при которой напряжение превзойдет предел прочности металла, в результате чего возможен разрыв трубопровода. Остаточная деформация растяжения в случае явлений ползучести возникает при напряжениях, много меньших не только предела прочности, но и предела текучести, что характеризует потерю упругих свойств металла при высоких температурах. [c.29] Ползучесть характеризуется величиной скорости ползучести при рабочих температурах, которая обозначается о)п и измеряется в мм1ч. Показателем скорости ползучести является увеличение наружного диаметра трубопровода (в мм) за определенный промежуток времени. [c.29] Напряжение в металле, при котором скорость ползучести не превышает заданной или допустимой величины, называется пределом ползучести. Предел ползучести обозначается Оп и измеряется в кГ1мм . Предел ползучести для трубопроводных сталей условно принят в 1% за 100 000 ч работы трубопровода под рабочим давлением, что соответствует скорости ползучести в размере одной десятимиллионной части миллиметра в час. [c.30] Кроме ползучести, в металлах, работающих длительное время под нагрузкой в области высоких температур, резко развиваются явления релаксации. [c.30] Релаксацией (от латинского слова расслабление) называется процесс самопроизвольного затухающего падения напряжений при постоянной начальной деформации. Падение напряжений происходит вследствие перехода упругой деформации металла в пластическую (остаточную), при этом сумма упругой и пластической деформаций в каждый момент времени остается равной первоначальной деформации. В результате процесса релаксации первоначально созданные напряжения в детали падают (металл как бы расслабляется). [c.30] Если температура нормальная, то релаксация происходит очень медленно. При высоких температурах скорость процесса релаксации значительно увеличивается. Релаксация, так же как и ползучесть, характеризует потерю упругих свойств металла при его работе в области высоких температур. Показателем релаксационной стойкости металла служит величина остаточного напряжения по истечении определенного времени (10 000 ч) при определенной температуре и заданном начальном напряжении натяга. [c.31] Чем дольше металл находится под воздействием высоких температур, тем больше в нем развивается остаточных деформаций и тем меньше его способность сопротивляться нагрузкам. Под действием высоких температур изменяется структура металла, а следовательно, и его механические свойства. [c.31] К наиболее существенным и опасным изменениям структуры стали относятся сфероидизация и графитизация. [c.31] Сфероидизацией называется изменение формы зерен перлита, составляющих структуру стали перлитного класса. При длительном воздействии высокой температуры пластинки цементита, входящие в состав перлита (см. рис. 1, б), распадаются на отдельные частицы и изменяют плоскую форму на шарообразную (сферическую). [c.31] Сфероидизация перлита понижает прочность, твердость и сопротивляемость металла ползучести. Легирование сталей перлитного класса молибденом и хромом повышает устойчивость цементита против сфероидизации, но полностью не устраняет последней. [c.31] Графитизацией называется выделение свободного углерода из цементита под действием высоких температур. Наличие свободных зерен графита с практически нулевой механической прочностью равносильно появлению в стали раковин или пустот, ослабляющих металл. Выпадающий графит может распределяться как в виде мелких включений, более или менее равномерно расположенных, так и в виде крупных, групповых скоплений, сильно понижающих прочность металла и способствующих увеличению скорости ползучести. [c.31] Графитизация наиболее интенсивно развивается на участках термического воздействия сварки в непосредственной близости к сварному шву (в околошовной зоне), при этом в зоне наплавленного металла графитизации, как правило, не обнаруживается. [c.31] Сфероидизации и графитизации перлита подвержены только стали перлитного класса, у которых структурная составляющая представляет собой механическую смесь феррита и перлита. [c.31] Стали аустенитного класса обладают большей стабильностью структуры при температурах от 500° С и выше. Однако эти стали по сравнению со сталями перлитного класса значительно дороже, имеют пониженную пластичность при комнатных температурах, повышенную вязкость и высокий коэффициент линейного расширения, вызывающий при нагреве внутренние напряжения. Кроме того, стали аустенитного класса в эксплуатационных условиях (при переменных температурах) склонны к образованию трещин. Из-за перечисленных недостатков стали аустенитного класса применяют только в тех случаях, когда нельзя использовать стали перлитного класса, — при температуре 585° С и выше, а также для трубопроводов с кислотной средой. [c.32] Вернуться к основной статье