Файл: Райков Л.Г. Нагрев летательных аппаратов в полете.pdf

Г л а в а 2

ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР НА МАТЕРИАЛЫ

Изменение свойств материалов с повышением температуры

Нагрев вызывает ухудшение прочностных характери­ стик материалов. Первым выходит из строя органическое стекло. В основном большинство органических материалов,

М а гн и й

С т а л ь

Рис. 9. Возможный температурный диапазон использования раз­ личных материалов

31

Из диаграммы рис. 9 видно, что еще до достижения 200° С все основные неметаллические материалы, а также все легкие металлы и сплавы становятся непригодными к использованию. До 300° С возможно использование основ­ ных антикоррозионных покрытий. И, наконец, температуры свыше 500° С выдерживают лишь конструкции из никеле­ вого сплава.

Вместе с тем температурный диапазон работы сверх­ звуковых летательных аппаратов все время возрастает. Поэтому для бомбардировщиков и особенно для истреби­ телей требуются материалы, способные выдерживать бо­ лее высокие температуры длительное -время. Конечно, вре­ мя действия максимальной температуры! для каждого типа

догополета. Однако общее время действия высоких темпе­

Если при конструировании таких летательных аппара­ тов перейти на применение теплостойких материалов, име­ ющих, как правило, большой удельный вес, то это вызовет значительное утяжеление летательного аппарата. Так, уже при температуре -около 300° С замена алюминиевого спла­ ва одним из таких теплостойких материалов, которыми сейчас располагает промышленность, приведет к утяжеле­ нию конструкции примерно на 25%.

Увеличение веса конструкции влечет за собой увеличе­ ние в геометрической прогрессии взлетного веса самолета, если остальные характеристики остаются неизменными. При возросшем весе придется увеличивать мощность дви­ гателя, а следовательно, и запас топлива. Так, увеличение веса конструкции истребителя на 1 кг приводит к увеличе­ нию взлетного веса на 10—15 кг. И, следовательно, при применении имеющихся материалов взлетный вес самолета, рассчитанного на эксплуатацию при 300° С, должен увели­ читься в 1,5 раза.

Во избежание такого увеличения веса сверхзвукового летательного аппарата разрабатываются новые материалы!, способные выдерживать высокие температуры и имеющие незначительный удельный вес.

Свойства материалов в условиях кратковременного нагрева

На ход изменения структурного строения материала в условиях повышенных температур оказывает влияние не только само значение температуры, но и время ее дейст­ вия. Поэтому при повышенных температурах рассматри­ вают кратковременный и продолжительный нагрев от­ дельно.

При кратковременном нагреве основными характери­ стиками материала являются удельная прочность — отно­ шение предела прочности при растяжении к удельному

упругости к удельному весу — . Чем большие величины

у

этих параметров имеет материал, тем выгоднее его при­ менять для конструкций, работающих в условиях кратко­ временного нагрева.

У всех материалов удельная прочность — падает с

у

увеличением температуры, причем степень падения ее у различных материалов различна (рис. 10).

Рис. 10. Изменение удельной прочности основных конст­ рукционных материалов с увеличением температуры

Из рис. 10 видно, что при невысоких температурах (меньше 200° С) наиболее выгодными по удельной проч­ ности оказываются титан и его сплавы и хромансиль (ста­ ли типа ЗОХГСА). Однако титановые сплавы, лишь незна­ чительно превосходя по удельной прочности дуралюмины ^типа Д16, значительно дороже последних. Поэтому при "указанных условиях нашли применение дуралюминовые

сплавы, а также стали типа ЗОХГСА. Первые материалы идут на изготовление всех основных конструкций каркаса: крыла, фюзеляжа и т. п., а вторые используются только для сильно нагруженных массивных узлов, а также поясов лонжеронов. Для изготовления обшивки, нервюр, стенок лонжеронов эти стали, как правило, не применяются, так как из-за их высокой прочности указанные элементы полу­ чаются очень тонкими. Критические напряжения потери устойчивости в таких тонких конструктивных элементах весьма низкие, что указывает на неэффективное использо­ вание материала.

Рис. 11. Зоны использования различных конструкционных мате­ риалов

С увеличением температур удельная прочность дуралюмина, как видно из рис. 10, резко падает, и при температу­ рах, больших 250° С, ои уже не может применяться в каче­ стве основного конструкционного материала.

В диапазоне температур 250—400°С основное распро­ странение получают титановые сплавы, а при температуре 400—600°С —-главным образом различные -стали.

- При еще больших температурах обычные стали за­ меняются специальными, типа нержавеющей стали

1Х18Н9Т. •

При температурах выше 700° С могут использоваться лишь сплавы на никелрсой основе.

34

На рис. 11 показаны возможные зоны применения основных конструкционных материалов для различных вы­ сот и чисел М полета.

Удельная жесткость материала с повышением темпе­ ратуры падает примерно с той же закономерностью, что и удельная прочность. Однако падение жесткости с увели­ чением температуры :в большинстве случаев менее резкое, чем падение удельной прочности материала.

Свойства материалов в условиях продолжительного нагрева

недостаточно. В этом случае важное значение приобретают такие характеристики, как пластичность и ползучесть, свя­ занные с микроструктурой. Пластичность обычно приво­ дится в процентах удлинения испытанного образца уста­ новленной длины*, а иногда, менее часто, но более точно, в процентах уменьшения площади того же образца. Свой­ ство пластичности является в некоторой степени мерой вязкости материала, которая указывает на его способность поглощать энергию перед разрушением. Поэтому пластич­ ность является важнейшей мерой работоспособности мате­ риала. С повышением температуры вязкость материала повышается, а следовательно, изменяется и пластичность.

Микроструктура материала при продолжительном дей­ ствии высокой температуры сильно изменяется. Так, у алю­ миниевых сплавов при нагреве до температуры свыше 150°С возобновляется процесс старения. Следовательно, можно предположить, что продолжительный нагрев мате­ риала конструкции в полете явится продолжением второго этапа термообработки. В таких условиях нагревания воз­ можны случаи «укороченного» или «удлиненного» процесса старения алюминиевых сплавов. Известно, что в резуль­ тате старения прочность материала повышается, однако до определенного предела. При все увеличивающемся времени действия повышенных температур прочность материала падает.

Падение прочности материала связано с его структур­ ными изменениями. Структура материала определяется твердостью. Следовательно, прогрессивное уменьшение - прочности материала конструкции летательного аппарата