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

в условиях аэродинамического нагрева может быть обна­ ружено путем определения твердости в местах воздей­ ствия наивысшей температуры.

Изменение микроструктуры, связанное с продолжением процесса старения материала, оказывает неблагоприятное влияние на механические характеристики не только алю­ миниевых сплавов, но и других материалов. Так, стальные изделия с высокой температурой закалки при нагреве выше температуры закалки могут сильно деформироваться.

При продолжительном действии повышенных темпера­ тур до 450°С целесообразнее использовать титановые сплавы, а также стали, подверженные старению, и лишь при более высоких температурах — хромистые стали.

Ползучесть — наиболее опасное явление при продол­ жительном нагревании материала под нагрузкой, заклю­ чающееся в увеличении деформации без увеличения на­ грузки. Ползучесть непосредственно связана с изменением структурного строения материала и проявляется при про­ должительном воздействии температур и нагрузки. При деформации материала, например при растяжении, проис­ ходит упрочнение материала, так называемая нагартовка. Однако под воздействием высоких температур нагартовка снимается, т. е. происходит разупрочнение. При проявле­ нии ползучести эти два явления перемежаются, поэтому обычно в ползучести различают три стадии. В первой ста­ дии упрочнение превалирует над разупрочнением. Вторая стадия — это линейная ползучесть, когда упрочнение пол­ ностью гасится разупрочнением. И, наконец, в третьей ста­ дии процесс разупрочнения занимает основное место. По­ скольку степень разупрочнения зависит от продолжитель­ ности воздействия названных факторов, то, следовательно, ползучесть строго связана со временем.

Явлению ползучести подвержены конструкционные ма­ териалы сверхзвуковых летательных аппаратов ори про­ должительном действии температур. В результате ползу­ чести конструкция может сильно деформироваться, что изменит не только прочностные, но и аэродинамические характеристики.

Ползучесть материала, так же как и все остальные его механические характеристики, определяют эксперимен­ тально, путем снятия кривых деформаций, которые полу­ чают для определенных температур и определенных на­ грузок.

36

Для каждого элемента конструкции летательного аппа­ рата обычную кривую деформации в каждом конкретном случае построить нельзя, поэтому приходится при расчетах пользоваться лишь тем семейством кривых, которые полу­ чены экспериментально.

Сложности, возникающие при таких расчетах, -застав­ ляют исследователей искать другие пути получения харак­ теристик ползучести.

Так, поскольку получить экспериментальные резуль­ таты при непрерывном изменении температур для различ­ ных промежутков времени нельзя, то сделано несколько попыток объединить переменные температуру и время в одном параметре. Такое объединение позволяет получать данные о ползучести, пользуясь результатами кратковре­ менных испытаний, поскольку время непосредственно исключается. Указанные попытки основываются на пред­ положении, что скорость протекания процессов одинакова для следующих явлений: ползучесть, отпуск, диффузия, растяжение и сжатие металлов.

Усталостные характеристики материалов при повышенных температурах

Приведенные выше данные характеризуют механиче­ ские свойства материалов при однократном статическом натружении. При повторных нагружениях (также статиче­ ских) прочность всех материалов существенно снижается. Нагружаемая деталь, выдерживающая при однократном нагружении силу Р, разрушается при значительно мень­ шем значении силы, прикладываемой достаточно большое число раз. При этом, чем меньше действующая нагрузка, тем большее число раз она может быть приложена до момента разрушения.

Обычно при повторном нагружении различают проч­ ность усталостную, т. е. прочность при нагружении пере­ менными нагрузками высокой частоты с незначительными амплитудами по величине, и статическую выносливость — прочность при нагружении переменными нагрузками низ­ кой частоты, но значительными по величине.

Предел выносливости материала при комнатной темпе­ ратуре определяется числом циклов нагружений до мо­ мента разрушения. Таким же способом находят и устадостную прочность.

При повышенных температурах возникают дополни­ тельные трудности в определении предела выносливости материала, связанные с тем, что в этих условиях имеют значение не только циклы повторных нагрузок, но и темпе­ ратурные циклы, не только разрыв материала, но и дефор­ мация его от ползучести. Поэтому при испытаниях деталей на прочность при повторных нагрузках в условиях повы­ шенных температур необходимо учитывать, каким обра­ зом и с какой частотой прикладываются эти оба вида на­ гружения.

Так, в случае постоянной повышенной 'Температуры при переменных напряжениях и среднем напряжении, равном нулю (симметричный, только силовой цикл нагружения), предел выносливости составляет 40—60% предела проч­ ности при растяжении при соответствующей температуре. При этом относительный предел выносливости, т. е. пре­ дел выносливости по отношению к пределу прочности на растяжение материала при данной температуре, постоянен. Если же проводятся испытания материала с явно выра­ женной ползучестью, то предел его выносливости по отно­ шению к пределу длительной прочности при статическом испытании па ползучесть растет. Отсюда следует, что в условиях проявления ползучести материал может выдер­ живать большую переменную нагрузку, чем статическая нагрузка, вызывающая разрушение от ползучести через промежуток времени, превышающий некоторое предельное значение. Этот факт свидетельствует о том, что при повы­ шенных температурах большую роль начинает играть не прочность при повторных нагружениях, а прочность при ползучести.

Циклическое температурное нагружение сильно ухуд­ шает выносливость материала и может разрушить его по­ сле нескольких сотен циклов нагружений. Например, обра­ зец из отожженной нержавеющей стали разрушился после 200 циклов -при изменениях температуры от 100 до 600°С и после 20 000 циклов при изменениях температуры от 250

до 450° С.

Появление переменной температуры по сечению кон­ структивного элемента приводит к возникновению темпе­ ратурных напряжений ввиду различной деформации слоев металла. Увеличение градиента неустановившейся темпе­ ратуры в материале также приводит к резкому снижению прочности при повторных нагрузках. Можно создать такой градиент иеустановившейся температуры, при котором ма­

38

териал разрушится от больших температурных напряже­ ний при первом же цикле теплового нагружения. Такое явление называют тепловым ударом. Он возникает, напри­ мер, если тело, имеющее равномерную высокую темпера­ туру, погрузить в плотную (жидкую) среду с низкой тем­ пературой.

Тепловой удар конструкции летательного аппарата воз­ никает при действии на нее теплового излучения атомного взрыва. В этом случае при быстром нагревании в материа­ ле возникают поверхностные сжимающие напряжения и поверхность может разрушиться или от выкрошивания, или же от напряжений сдвига, вызванных сжатием.'Раз­ рушение может возникнуть и в средних слоях материала, где наблюдается наибольшее растягивающее напряжение.

Величина и место расположения наибольшего растяги­ вающего напряжения зависят от времени нагрева и тепло­ проводности материала. Если материал плохо проводит тепло, то действие теплового удара распространяется лишь на волокна, ближайшие к поверхности. В этом случае вы­ сокие сжимающие напряжения возникают на поверхности. Если материал является хорошим проводником тепла, то сжимающие напряжения на поверхности будут ниже. Кроме того, у материала о хорошей теплопроводностью сжатию подвергается большое количество волокон, вслед­ ствие чего растягивающие напряжения в средней части бу­ дут больше. В таком материале разрушение может насту­ пить в средних слоях.

Различные материалы в условиях теплового удара ве­ дут себя неодинаково. Например, хрупкие материалы, вы­ держивающие лишь очень малые деформации, могут не вынести теплового удара, в то время как вязкие материа­ лы, способные выдержать большие деформации, обычно переносят и тепловой удар. Однако и у вязких материалов при повторных тепловых ударах может наступить уста­ лостное разрушение.

Коррозия материалов при повышенных температурах

При повышенной температуре изменяются и другие характеристики материалов, в частности их антикоррози­ онные свойства. Обычно при высокой температуре все ме­ таллы теряют способность сопротивляться коррозии. Боль­ ше того, в этих условиях скорость реакции коррозии уве­ личивается. Этому способствует не только сам фактор вы-

, сокой температуры, но и те изменения, которые возникают

39

в структуре металла в результате воздействия высоких температур.

Вместе с ростом величины газовой коррозии при повы­ шенных температурах увеличивается так называемая элек­ трохимическая коррозия металлов, .связанная с разруше­ нием материала вследствие образования гальванической пары двух металлов с разной высотой потенциалов.

В условиях действия высоких температур подбор ме­ таллов по гальваническому ряду еще сам по себе не устраняет потенциальной опасности электрохимической коррозии. Необходимую гарантию от появления такого вида коррозии в металлах дает лишь тщательное исследо­ вание выбранных материалов, соединенных в реальную конструкцию, в естественных окружающих условиях.

На металлы летательных аппаратов сверхзвуковых скоростей вредное воздействие оказывает кислород возду­ ха, который с увеличением температуры начинает интен­ сивно диффундировать даже через защитный слой (оксид­ ную пленку) в металл, окисляя его. Скорость окисления особенно быстро возрастает в атмосфере ионизированного воздуха, что характерно для момента входа ракетных ап­ паратов в земную атмосферу. Увеличение скорости окисле­ ния связано с увеличением активности воздуха, молекулы которого диссоциированы на заряженные частицы. Эти ча­ стицы стремятся рекомбинировать в более устойчивые мо­ лекулы на поверхности металла. Переносу частиц способ­ ствует возникающая атмосфера ионов. При рекомбинации выделяется тепло, что в свою очередь повышает темпера­ туру на поверхности металла и, следовательно, увеличи­ вает скорость окисления. В атмосфере диссоциированного воздуха металлы окисляются примерно в 400 раз быстрее, чем в воздухе обычного состава.

Теплофизические свойства материалов при повышенных температурах

С увеличением температуры изменяются не только ме­ ханические, но и теплофизические свойства материалов, такие, как термическое расширение, теплопроводность, удельная теплоемкость и др.

Термическое расширение, или, как обычно говорят, ко­ эффициент линейного расширения металлов, с повышением температуры увеличивается.

Если изменение коэффициента линейного расширения тесно связано с возникающими в теле температурными на-

40

вается коэффициент излучения, характеризующий луче­ испускательную способность тела.

Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излучает энергию непрерывно. Изменение интенсивно­ сти излучения тел от температуры устанавливается опыт­ ным путем. Однако поскольку ' общая энергия излучения тела пропорциональна четвертой степени абсолютной тем­ пературы! (закон Стефана — Больцмана), то тепловой по­ ток излучения достигает достаточной величины только при высоких температурах. В связи с этим и коэффициент из­ лучения различных металлов определяется лишь в услови­ ях повышенных температур. С увеличением температуры' эта величина растет.

Новые термопрочные металлы

Как указывалось выше, переход к жаропрочным мате­ риалам вызывает значительное увеличение веса конструк­ ции. В связи с этим в настоящее время весьма актуальной задачей является отыскание и создание новых материалов, имеющих незначительный вес и в то же время сохраняю­ щих высокие механические свойства при повышенных тем­ пературах.

Новые алюминиевые сплавы, находящиеся в стадии разработки, по мнению американских специалистов, пред­ положительно будут иметь прочностные свойства при тем­ пературе 315° С приблизительно на 35% выше прочностных свойств алюминиевых сплавов, применяющихся в настоя­ щее время. Повышение теплостойкости алюминиевых спла­ вов достигается легированием алюминия литием. Такие легированные алюминиевые сплавы предполагают исполь­ зовать до температур 260° С.

Другим легким металлом, имеющим приемлемое отно­ шение прочности к весу, является магний. Он обладает та­ кой же чувствительностью к надрезам, как и алюминий, но его свойства в отношении усталости несколько лучше.

Последние достижения в разработке сплавов магния с редкоземельными элементами, в частности с цирконием, дают хорошие прочностные характеристики до темпера­

42