Ім'я файлу: Вплив низькотемпературної деформації на конструкцію вузлів обл
Розширення: docx
Розмір: 247кб.
Дата: 13.11.2023
скачати
Розширення: docx
Розмір: 247кб.
Дата: 13.11.2023
скачати
МІністерство освіти і науки україни
Національний технічний університет
“Харківський політехнічний інститут”
кафедра «Технічна Кріофізика»
РЕФЕРАТ
з дисципліни «Конструкційні особливості низькотемпературних установок»
на тему «Вплив низькотемпературної деформації на конструкцію вузлів обладнання»
Виконав:
студент гр. Е-М422л:
Фоменко С.О.
Перевірив:
Викладач: Руденко М.З.
Харків – 2022
ВПЛИВ ЕКСТРЕМАЛЬНИХ ТЕМПЕРАТУР НА МЕТАЛЕВІ МАТЕРІАЛИ
Метеорит, який впав на Землю близько 35 мільйонів років тому, створив, як вважають, найвищу природну температуру на нашій планеті. Вчені підрахували, що температура 2370 °C, що приблизно вдвічі нижча за поверхню Сонця, була досягнута через цей позаземний удар.
На протилежному кінці шкали найнижча природна температура, яка коли-небудь була безпосередньо зареєстрована на рівні землі на Землі, становить −89,2°C на радянській станції «Восток» в Антарктиді 21 липня 1983 року.
Спускаючись до «абсолютного нуля»
Хоча згадані температури були природними, температури, яким піддаються метали в промисловому застосуванні, іноді наближаються до цих діапазонів, що призводить до значних проблем. Просто подумайте про реактивний двигун: температура може досягати 900°C, тоді як промислові печі можуть досягати 1200°C. На протилежному холодному кінці шкали кріогенність може включати вплив температур від -196 °C або навіть до -269 °C. Для будь-кого, хто згадує фізику у середній школі, це лише трохи вище «абсолютного нуля», який при −273°C є найнижчою можливою температурою — коли ніщо не може бути холоднішим і в речовині не залишається теплової енергії.
Тому, розробляючи обладнання для будь-якого застосування, пов’язаного з дуже низькими або високими температурами або значними коливаннями температур, особливо важливо враховувати вплив цих температур на використовувані метали. Існують десятки застосувань болтів і кріплень, які можуть включати екстремальні температури.
Наука металургія вивчає способи поведінки різних металів у широкому діапазоні температур, а також те, як певні метали або комбінації металів можуть допомогти пом’якшити можливі негативні наслідки.
Таким чином, сталь та інші металеві сплави можна адаптувати відповідно до вимог застосування, яке піддається екстремальним температурам.
Проблеми, які створюють низькі температури
Основними несприятливими ефектами, які спричиняють низькі температури, є втрата пластичності (здатності зазнавати пластичної деформації перед розривом) і посилення крихкості матеріалу, коли температура падає нижче так званої температури переходу пластичності до крихкості або DBTT.
«В’язкий матеріал спочатку деформується, а потім остаточно руйнується, — пояснює Олександр Флерентен, експерт у галузі металургії, термічної обробки й обробки поверхонь, а також засновник компанії Métallo Corner у Франції, — у той час як крихкий матеріал, швидше за все, відразу зламається, коли навантаження перевищує межу текучості».
Зі зниженням температури багато матеріалів переходять від пластичності до крихкості на DBTT(Ductile-Brittle Transition Temperature). Очевидно, що розбиття, швидше за все, матиме негативні наслідки, ніж деформація, і при дуже низькій температурі сталі, як правило, більш чутливі до ударів, з ризиком зламу в разі раптового удару або згинання. Ця характеристика близька до пружності і оцінюється при випробуванні на удар.
З іншого боку, нижча температура часто призводить до збільшення механічної міцності металу на розрив і меншого подовження при розриві. Для збереження високої механічної міцності та отримання менш крихкого матеріалу часто віддають перевагу аустенітній нержавіючій сталі з високим вмістом нікелю та азоту.
Висока температура ще складніша
При надзвичайно високих температурах виникають деякі оборотні явища, тоді як інші є постійними. Оборотні, які регресують, якщо температура повертається до норми, включають тимчасову втрату механічної міцності на розрив і зміни пластичності.
Що стосується постійних явищ, процеси старіння та термічної обробки, що відбуваються при підвищених температурах, можуть спричинити перезагартування, що призводить до зниження опору втоми. Тому температура експлуатації також повинна залишатися нижче температури відпалу або відпустки сталі.
У нержавіючої сталі високі температури можуть призвести до втрати або зменшення захисного пасивуючого шару, тому за цих температур дизайнер повинен бути обережним щодо факторів навколишнього середовища, таких як вологість і певні елементи в атмосфері. «Можна вплинути навіть на рідини, які опосередковано впливають на характеристики металу», — каже Флерентен. «Наприклад, при високих температурах деякі мастильні матеріали, такі як дисульфід молібдену (MoS2), змінюють властивості та повністю втрачають свою змащувальну здатність (MoS2 стає MoS3 = трисульфід молібдену), що призводить до можливих проблем».
Повзучість та розслаблення також активуються теплом
Важливі і часто згубні явища повзучості та релаксації також можуть активуватися при високих температурах. Повзучість — це коли матеріал деформується повільно й постійно через постійне механічне навантаження, навіть якщо воно нижче межі текучості матеріалу. Релаксація — це коли матеріал, навіть незважаючи на те, що він спочатку навантажений нижче межі текучості, знімає напругу під час дії фіксованої деформації шляхом перетворення частини цієї пружної деформації в пластичну деформацію.
Повзучість або релаксація в металах відбуваються легше, якщо вони піддаються дії підвищених температур, навіть до того, як навантаження або деформації перевищать межу текучості матеріалу. Ступінь повзучості або релаксації залежить від величини напруги, температури та часу впливу. Ці явища можуть активуватися приблизно від 200 °C для сталей і навіть трохи вище 100 °C для деяких легких сплавів і нержавіючої сталі. Щоб відповідати справді складним задачам, дизайнери можуть використовувати стійкі до повзучості сплави на основі нікелю або кобальту. Майте на увазі, що повзучість і релаксація постійно змінюють деталі з точки зору деформації або зняття напруги.
Коефіцієнт теплового розширення змінюється в широкому діапазоні температур
Іншим результатом екстремальних температур є те, що матеріал розширюється або стискається пропорційно температурі через фізику. Отже, коли температура в сталевій конструкції підвищується, атоми починають вібрувати все сильніше. Це теплове перемішування, у свою чергу, призводить до збільшення міжатомних відстаней і, таким чином, викликає розширення матеріалу.
Фактичне розширення, яке відбувається зі збільшенням температури, описується так званим коефіцієнтом лінійного теплового розширення (КТР), який зазвичай визначається при 20°C для різних матеріалів. Зазвичай він постійний у певному діапазоні температур, скажімо, від 0 до 100°C. Однак, як стверджує пан Флерентен, «КТР для певного матеріалу не завжди є постійним у широкому діапазоні екстремальних температур, тому зазвичай він оновлюється кожні 100°C».
«Крім того факту, що сам КТР може змінюватися залежно від температури, розробник також повинен враховувати старіння та зміни властивостей матеріалу протягом часу експлуатації. І те, і інше надзвичайно важливо для будь-якого типу обладнання або рішення для болтів і кріплень, які будуть витримувати екстремальні температури».
Деформація низькотемпературна
При НТМО (низькотемпературна термомеханічна обробка) спочатку здійснюється аустенітне перетворення при 1000-1100 ° С, потім підстуджування до температур існування метастабільного аустеніту (але нижче температури початку рекристалізації), далі пластична деформація на 75-95% при цих температурах, після чого охолодження у воді або олії і низькотемпературна відпустка.
Низькотемпературна термомеханічна обробка (НТМО) полягає у інтенсивній пластичній деформації сталі у температурному інтервалі стійкого аустенітного стану. Процес полягає у нагріванні до 900-1000 ° С, швидкому охолодженні до 450 -550 "С, багаторазовому пластичному деформуванні при цій температурі з великим ступенем деформації (до 90%), загартуванні на мартенсит і відпустці при 250 -400 ° С.
Низькотемпературна деформація викликає сильне спотворення кристалічних ґрат і дроблення зерен на блоки. При порівняно низьких температурах відпалу (наприклад, для заліза, нікелю та міді при кімнатній температурі) утворюється дрібноблочна структура, що характеризується високою стійкістю при наступному нагріванні до високих температур, завдяки чому опір чистих металів повзучості підвищується. Досліди на нікелі та міді показали, що опірність їх повзучості після низькотемпературної деформації та відпалу при кімнатній температурі дуже суттєво підвищується.
Особливості впливу низкотемпературних деформацій на напружено-деформований стан залізобетонних конструкцій
Вплив негативних температур є одним з найбільш часто зустрічаються видів впливу на залізобетонні конструкції, особливо в районах Крайньої Півночі.
Питання стійкості бетону при низькотемпературних впливах присвячено багато робіт, виконаних вітчизняними та зарубіжними вченими. Ними встановлені основні передумови впливу низьких температур на процеси, що відбуваються в бетоні при заморожуванні з урахуванням його вологості, виду та складу в'яжучого, заповнювача, різних режимів випробувань тощо. Про явища, що відбуваються у бетоні при заморожуванні, висловлено багато гіпотез.
До основних чинників цих гіпотез відносять такі:
1. Механічне тиск льоду на стінки пор при його перетворення.
2. Гідравлічний тиск води, що витісняється льодом.
3. Гідростатичний тиск замкнутої незамерзаючої води та ін.
Вищезгадані фактори викликають додаткову напругу в структурі бетону, сприяють порушення контакту заповнювача та цементного каменю,
зростання мікротріщин. В результаті відбувається зниження міцності бетону та розвиток аномальних деформацій його розширення.
Питання зміни міцності та деформації бетону вивчалися в роботах В.В.Семенова, В.Н.Ярмаковського та ін. Аналіз результатів зміни міцності зразків, що заморожуються до t = -60 С і відтають у воді, з бетону морозостійкістю F 400 показав випереджаюче зниження міцності бетону на розтяг у порівнянні з кубиковою та призмінною міцністю.
Зниження міцності на розтяг при багаторазовому заморожуванні добре корелюється зі зміною меж микротрещинообразования. Його рівень постійно і неухильно знижується та відбувається зближення двох параметричних точок.
Це скорочує область пружної роботи бетону і призводить до швидкого наростання мережі тріщин - від мікротріщин зони зчеплення до мережі безперервних мікротріщин.
Зміна деформативних характеристик відбувається найбільш інтенсивно у водонасиченому бетоні.
Модуль пружності при низькотемпературних впливах різко падає, причому швидкість його зниження при осьовому розтягуванні значно випереджає швидкість його зниження при стисканні. Граничні деформації водонасиченого бетону також зростають переважно за рахунок розвитку псевдопластичних деформацій.
Питання накопичення бетоном залишкових деформацій розширення заслуговує на особливу увагу.
Дослідженнями В.С. Гладкова, Ф.М. Іванова, Г.С. Рояка показано, що руйнування бетону проявляється у накопиченні залишкових деформацій, закономірність зростання яких є прямою в логарифмічних осях координат:
lgE =k+a lgn,
де E – сумарна залишкова деформація; n – число циклів заморожування-відтавання;
k, a – параметри, залежні від стійкості бетону за умов випробувань.
Основними факторами, що визначають ступінь руйнування бетону, є: - величина водонасичення бетону; температура заморожування; густина, що характеризується об'ємною масою цементного каменю в бетоні; міцність бетону. Результат аналізу показав, що при заморожуванні зразків до температури t = -50°C величина залишкових деформацій має велике значення (у межах вичерпання морозостійкості бетону). Б.М. Мазур у своїй роботі робить висновок, що залишкові деформації при випробуванні до t = -50°C повинні бути прийняті 0,25% (2,5х10-3). Це пояснюється тим, що при заморожуванні до таких температур утворюється більша кількість тріщин, але більш дрібного розміру, ніж при випробуванні до t = -20°C, у зв'язку з цим при таких же залишкових деформаціях зниження міцності відбувається в меншою мірою. О.В. Куцевич у своїй роботі вказує, що при величині залишкових деформацій бетону, при яких залишкові деформації цементного каменю не перевищували 0,25%, міцність зразків кубів, випиляних із призм, була не нижче 85% міцності кубів, випиляних із контрольних призм .
Зупинимося тільки на тих особливостях, які характерні для статично невизначених конструкцій.
Відзначається три етапи перерозподілу зусиль. Перший етап – до утворення тріщин, коли перерозподіл зусиль може відбуватися лише за рахунок пластичної інформації стиснутої зони бетону. Другий етап – після утворення тріщин, коли можуть відбуватися великі пластичні деформації бетону через його повзучість при навантаженні та пластичні деформації арматури, найбільші у тріщині. Третій етап починається з утворення пластичного шарніру, викликаного деформаціями плинності арматури в одному із перерізів. Цей етап характеризується найбільшим перерозподілом зусиль.
Таким чином, на перерозподіл зусиль у статично невизначених конструкціях має впливати зміна деформативних властивостей бетону, кінетики тріщиноутворення, зчеплення арматури з бетоном. Всі ці фактори зазначені при оцінці впливу циклічного заморожування та відтавання на напружено-деформований стан статично визначних конструкцій.
Аналіз досліджень щодо впливу нагріву на роботу статично невизначених конструкцій показав суттєву зміну характеру перерозподілу зусиль через зниження властивостей бетону. Очевидно, що вплив низьких температур позначається на перерозподілі зусиль.
Дослідження, проведені в НИИЖБе М.Г.Булгаковой та інших щодо оцінки впливу ЦЗО працювати статично невизначених залізобетонних елементів показали необхідність урахування низкотемпературных впливів під час розрахунку конструкцій по П групі граничних станів. При випробуваннях двопрогонових залізобетонних балок із симетричним армуванням опорного та прогонових перерізів в умовах багаторазового заморожування та відтавання у воді автором було отримано значні відхилення від розрахункової схеми роботи балок. У ході випробувань у водонасиченому стані в балках відбувалося незатухаюче зростання деформацій розширення в стиснутій та розтягнутій зоні бетону, а також зростання прогинів. У балках, що заморожуються у повітряно-сухому стані, ці явища мали незначний загасаючий характер. Після розвантаження у водонасичених балках спостерігалися великі залишкові деформації розширення та залишкові прогини, причому викривлення осі балок, отримані під час випробувань, було видно навіть візуально, що не спостерігалося у повітряно-сухих балках. При випробуванні балок короткочасним завантаженням до руйнування після їх тривалих випробувань були отримані незначні відхилення від несучої здатності контрольних балок. Це, мабуть, пояснюватиметься тим, що балки не досягли вичерпання морозостійкості і в бетоні балок не відбулося істотних деструктивних змін. При морозостійкості бетону F 500 балки піддавалися 350 циклам поперемінного заморожування та розморожування. Але навіть на цьому етапі були зафіксовані великі прогини та деформації, близькі до граничних залишкових. У дослідженнях зазначено, що в процесі Ц30 виникає поздовжня сила, що викликає в арматурі додаткову напругу розтягування, а в бетоні – стискування. Змінилося і відношення опорного моменту до прогонового. Було відзначено невеликий перерозподіл зусиль у прогоновий перетин. Вперше пропонується враховувати у розрахункудеформацій відсоток армування та рівень напруженого стану. Наголошується на необхідності обліку поздовжньої сили при розрахунку кривизн, прогинів балок та напруг в арматурі.
Л.І.Шмаєвич, який досліджував температурну напругу в залізобетонних циліндричних оболонках , зазначає виникнення напружень розтягування в центрі зразків через температурний перепад при відтаванні. Величина напруги склала б = ± 16, 3 МПа. Ця напруга може перевищити міцність бетону на розтягування та спричинити утворення мікротріщин, що підтвердилося підвищенням водонасичення центру зразка.
Значні термонапруження у бетоні відзначалися і в роботі Г.Ф. Мишова. Досліджуючи напруги в бетонній призмі, що виникають при її нагріванні з чотирьох сторін, він отримав величину розтягуючих напруг б = 8МПа. У статично невизначених конструкціях, які не мають можливості вільного деформування при перепадах температур, така напруга суттєво змінює напружено-деформований стан. Дослідженню деформативності та тріщиностійкості згинальних залізобетонних елементів при негативних температурах присвячено роботу В.К. Бойка . Їм випробовували однопрогонові залізобетонні балки. Для обмеження горизонтальної рухливості опорні частини балок закріплювали ножовими опорами. Вільний поворот перерізів забезпечувався притискними пристроями. Однопрогонові балки охолоджували до заданої температури та руйнували. Автором було відзначено зниження деформативності стиснутої зони бетону, спричиненої збільшенням міцності та модуля пружності при негативній температурі. Спостерігався також вигин балки, обумовлений несимметричним армуванням. Відзначено утворення додаткового зусилля в температурі, викликаного усадкою та відмінністю коефіцієнтів температурного розширення бетону та арматури. Низькотемпературні впливи рекомендується враховувати при розрахунку за П групою граничних станів, враховуючи додаткові температурні та усадкові напруги в арматурі.
Таким чином, для розрахунку конструкції відповідно до її дійсного напруженого стану необхідно враховувати всі зміни, спричинені низькотемпературними впливами.
ЛІТЕРАТУРА
1. Біловешкін В.Т. Деформативність та тріщиностійкість залізобетонних елементів, що згинаються при швидкому нагріванні та охолодженні.: автореф. дис. ... канд.техн.наук. М., 1982. 25 с.
2. Булгакова М.Г. Дослідження впливу негативних температур вологості на перерозподіл зусиль у двопрогоновій залізобетонній балці // Підвищення ефективності використання матеріалів під час виробництва збірних залізобетонних конструкцій та виробів: зб. тр. Іркутськ, 1984. С. 51-53.
3. Бойко В.Г. Деформативність і тріщиностійкість залізобетонних елементів, що вигинаються, при негативних температурах: автореф. дис. ...канд.техн.наук. М., 1987. 24 с. 4. Гвоздєв А.А. Розрахунок несучої здатності конструкцій за методом граничної рівноваги. М.: Держбудвидав, 1949. 280 с.
5. Гітман Г.Ф. Дослідження роботи двопрогонових залізобетонних балок при рівномірному нагріванні: автореф. дис. ...канд.техн.наук. М., 1967. 24 с.
6. Зайцев Ю.В. Дослідження перерозподілу зусиль у нерозрізних залізобетонних балках: автореф. дис. ... канд.техн.наук. М., 1960. 24 с.
7. Крилов С.М. Перерозподіл зусиль у статично невизначених залізобетонних конструкціях. М.,1964. 25 с.
8. Крилов С.М., Гуща Ю.П., Абаканов М.С. Перерозподіл зусиль у статично невизначених залізобетонних конструкціях, армованих сталями без майданчика плинності // Сб.тр. / НИИЖБ. М.,1979. 60 с.
9. Кузьмічов А.Є. Несуча здатність та жорсткість залізобетонних рам нерозрізних балок: автореф. дис. ... канд.техн.наук. М., 1982. 24 с.
10. Мілованов А.Ф. Вплив температури на роботу попередньо напружених ЗБК // Бетон та залізобетон. 1970. No5. С.15-18.
11. Мишев Г.Ф. Деформативність та тріщиностійкість круглих залізобетонних плит, що піддаються багаторазовому заморожуванню та відтаванню: автореф. дис. ... канд.техн.наук. М., 1985. 25 с.
12. ШмаєвичЛ.І.Модельнідослідженнятемпературних
напруг у залізобетонних циліндричних опорних оболонках морських нафтогазопромислових гідротехнічних споруд: автореф. дис. ... канд.техн.наук. М., 1985. 24 с.
13. Ярмаковський В.М. Дослідження міцності та деформації бетону при низьких негативних температурах: автореф. дис. ... канд.техн.наук. М., 1985. 24 с.
14. Москвин В.М. Про розрахункову величину коефіцієнта температурного розширення бетону при негативних температурах // Бетон і залізобетон. 1973. No6. С.37-39
15. https://www.nord-lock.com/insights/knowledge/2019/extreme-temperatures-metallic-materials/