И других самоуравновешенных напряжений

Напомним, что температурные напряжения возникают в тех случаях, когда тепловые деформации тела несовместны, то есть, не согласуются с внутренними или внешними связями объекта. Эти напряжения уравновешиваются сами собой, либо реакциями внешних связей. Аналогичные в этом смысле напряжения возникают вследствие отклонений размеров при монтаже конструкции (или затяжке болтовых соединений), при несовместной неупругой деформации (например, в процессе изготовления детали). В литературе их называют начальными (в том смысле, что они действуют еще до приложения основной нагрузки), остаточными (после технологических операций), собственными (то есть, не связанными с основными внешними нагрузками), самоуравновешенными. К этой категории можно отнести и напряжения, возникающие в результате объемных изменений в материале при фазовых превращениях, например, при радиации. Влияние самоуравновешенных напряжений на прочность аналогично действию механической нагрузки при кинематическом способе нагружения: оно связано с релаксационными процессами. Поэтому при невозобновляемых самоуравновешенных напряжениях разрушение является исключительным событием, оно возможно лишь в связи с начальной хрупкостью или последующим охрупчиванием материала (например, в отливках или поковках при прохождении в процессе охлаждения определенных температурных диапазонов) и постепенным развитием трещиноподобных дефектов. С другой стороны, циклически изменяющиеся самоуравновешенные напряжения (температурные; монтажные, возобновляемые с помощью «подтягов» и др.) представляют опасность для конструкций любого типа, в том числе, изготовленных из пластичных материалов.

Отметим интересную и практически важную особенность, отличающую развитие разрушений при тепловых воздействиях без механической нагрузки. В этих условиях появление трещин приводит к исключению связей, препятствовавших свободному тепловому расширению и, следовательно, к падению уровня температурных напряжений. Во многих случаях конструкция может продолжать эксплуатироваться (если не происходит нарушение ее функций, например, вследствие разгерметизации, «затекания» металла в щели или других причин). Отсюда возникла идея предварительного создания надрезов в детали для уменьшения в ней тепловых напряжений; эта идея уже используется в практике конструирования. При действии механической нагрузки ситуация совсем иная: создание начальных «трещин» в этом случае опасно, поскольку может приблизить критическое состояние.

Температурные условия и характер разрушения. Изменение температуры приводит не только к возникновению соответствующих напряжений, но и к изменению механических свойств материала и их характеристик. В связи с этим принято выделять следующие температурные диапазоны.

а) Криогенные температуры (-270...-100°С).

В таких условиях работает специальное оборудование для перекачки сжиженных газов, элементы ракетно-космической техники.

б) Нормальные (климатические) температуры (-100...+100°С).

С точки зрения прочности материалов этот диапазон неоднороден. Так, работа машин при пониженных температурах, характерных для полярных областей земного шара и Якутии (-90...-50°С) требует принятия специальных мер металлургического, конструкционного и технологического характера для обеспечения их прочности и надежности, прежде всего против хрупкого разрушения.

в) Повышенные температуры (100…1200°С).

В таких условиях работают паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания, существующие типы ядерных реакторов, а также технологическое оборудование в металлургии и химической промышленности.

г) Высокие температуры (свыше 1200°С) развиваются в ракетных двигателях, оболочках спускаемых космических аппаратов при вхождении в атмосферу, в МГД-генераторах; они воздействуют на некоторые виды технологического оборудования.

Чтобы избежать чрезмерного снижения характеристик прочности при повышенных и высоких температурах для ответственных деталей газовых турбин (лопатки, диски), камер сгорания ЖРД, прокатных валков станов предусматривается принудительное охлаждение; в других случаях (например, космические спускаемые аппараты) используется защитное теплоизолирующее или сгорающее покрытие.