Многие элементы современных машин и аппаратов работают в условиях умеренного (до 200 К) и глубокого (до 4 К) охлаждения. Это элементы установок сжижения и разделения газов, системы космических аппаратов, высотных самолетов, детали и узлы транспортных и горных машин, работающих в условиях Крайнего Севера, и др. Применяемые для их изготовления конструкционные материалы должны обеспечивать надежную работу аппаратов, машин и механизмов в заданных температурных условиях. Высоколегированные стали и сплавы на основе никеля, алюминия, титана, композиционные материалы и пластики получают все большее распространение наряду с применяемыми обычно конструкционными сталями. Чтобы выбрать наиболее подходящий для заданных рабочих условий материал и правильно определить надежность и долговечность изделия, конструктору требуются глубокие знания физической природы процессов, происходящих в материалах при эксплуатации, а также точные данные об изменениях основных характеристик материалов под воздействием внешних условий. С понижением температуры большинство материалов становится более прочными и износостойкими. При 77 К (температура кипения жидкого азота) предел прочности большинства металлов в 2-5 раз больше, чем при комнатной температуре; прочность некоторых пластмасс увеличивается в 8 раз, стекла- в 12 раз. При 4,2 К (температура кипения жидкого гелия) предел прочности меди в 2 раза больше, чем при комнатной температуре, а прессованного алюминия в 6 раз, сталей в 2,5-3 раза. Уменьшение пластичности и повышение твердости при низких температурах позволяет повысить эффективность механической обработки ряда материалов. При низких температурах улучшаются режущие свойства и повышается стойкость металлорежущего инструмента. Применение холода для термической обработки металлов позволяет стабилизировать размеры прецизионных деталей и получить необходимую структуру. Однако при низких температурах в материале, особенно под нагрузкой, могут происходить внутренние структурные превращения, в результате чего возрастает опасность внезапного разрушения деталей. Поэтому даже в тех случаях, когда глубокое охлаждение носило временный характер, при последующей работе в условиях нормальных температур следует считаться с возможными остаточными явлениями, а при работе в условиях низких температур необходимо учитывать возможность преждевременного хрупкого разрушения материала в результате уменьшения пластичности. Одна из причин хрупкого разрушения - мартенситное превращение, сопровождающееся увеличением объема и снижением ударной вязкости. Изменение объема тела сложной формы при локальных выделениях мартенсита сопровождается возникновением дополнительных местных напряжений, часто приводящих к разрушению деталей. В связи с этим целесообразно на заводе-изготовителе подвергать воздействию низких температур все детали и узлы машин, предназначенные для работы в условиях низких температур. После такой обработки в материалах деталей закончатся все процессы структурообразования и можно будет забраковать детали, в которых возникнут при этом дополнительные напряжения. На заводе могут быть разработаны такие конструктивные формы деталей, в которых внутренние напряжения минимальны. Изменения структуры материала сопровождаются изменением его плотности, а также прочностных, электрических и магнитных характеристик. При обработке холодом стальных деталей можно добиться необходимого изменения указанных характеристик. В машиностроении широко используется нагрев (тепловая обработка) как средство получения высокопрочного или пластичного структурного состояния сталей и сплавов, а также для снижения остаточных напряжений и для уменьшения структурных отличий основного металла и сварных швов. Совершенствование техники получения низких температур и опыт использования холодильных установок позволяют применять холод в технологии машиностроения. Изучение поведения материалов и особенностей их разрушения при низких температурах имеет значение для успешного освоения Крайнего Севера и некоторых других районов страны, где техника работает значительное время года при низких (до 215 К) температурах. Машины и механизмы, не приспособленные для работы в таких условиях, быстро выходят из строя. Конструирование и производство такого рода техники должно определяться обоснованными рекомендациями по выбору материалов и экспериментально проверенных методов оценки склонности металлов к хрупкому разрушению. Уменьшить аварийность и повысить долговечность машин и механизмов можно только при условии учета особенностей поведения материалов при низких температурах, правильного подбора материалов для конструкций, несущих значительные силовые нагрузки, проведения испытаний деталей наиболее ответственных узлов и целых механизмов в условиях низких температур, вакуума, тепловых ударов и т. д.
Назад
11.07.2016Изменения структуры и свойств металлов при охлажденииМногие элементы современных машин и аппаратов работают в условиях умеренного (до 200 К) и глубокого (до 4 К) охлаждения. Это элементы установок сжижения и разделения газов, системы космических аппаратов, высотных самолетов, детали и узлы транспортных и горных машин, работающих в условиях Крайнего Севера, и др. Применяемые для их изготовления конструкционные материалы должны обеспечивать надежную работу аппаратов, машин и механизмов в заданных температурных условиях. Высоколегированные стали и сплавы на основе никеля, алюминия, титана, композиционные материалы и пластики получают все большее распространение наряду с применяемыми обычно конструкционными сталями. Чтобы выбрать наиболее подходящий для заданных рабочих условий материал и правильно определить надежность и долговечность изделия, конструктору требуются глубокие знания физической природы процессов, происходящих в материалах при эксплуатации, а также точные данные об изменениях основных характеристик материалов под воздействием внешних условий. С понижением температуры большинство материалов становится более прочными и износостойкими. При 77 К (температура кипения жидкого азота) предел прочности большинства металлов в 2-5 раз больше, чем при комнатной температуре; прочность некоторых пластмасс увеличивается в 8 раз, стекла- в 12 раз. При 4,2 К (температура кипения жидкого гелия) предел прочности меди в 2 раза больше, чем при комнатной температуре, а прессованного алюминия в 6 раз, сталей в 2,5-3 раза. Уменьшение пластичности и повышение твердости при низких температурах позволяет повысить эффективность механической обработки ряда материалов. При низких температурах улучшаются режущие свойства и повышается стойкость металлорежущего инструмента. Применение холода для термической обработки металлов позволяет стабилизировать размеры прецизионных деталей и получить необходимую структуру. Однако при низких температурах в материале, особенно под нагрузкой, могут происходить внутренние структурные превращения, в результате чего возрастает опасность внезапного разрушения деталей. Поэтому даже в тех случаях, когда глубокое охлаждение носило временный характер, при последующей работе в условиях нормальных температур следует считаться с возможными остаточными явлениями, а при работе в условиях низких температур необходимо учитывать возможность преждевременного хрупкого разрушения материала в результате уменьшения пластичности. Одна из причин хрупкого разрушения - мартенситное превращение, сопровождающееся увеличением объема и снижением ударной вязкости. Изменение объема тела сложной формы при локальных выделениях мартенсита сопровождается возникновением дополнительных местных напряжений, часто приводящих к разрушению деталей. В связи с этим целесообразно на заводе-изготовителе подвергать воздействию низких температур все детали и узлы машин, предназначенные для работы в условиях низких температур. После такой обработки в материалах деталей закончатся все процессы структурообразования и можно будет забраковать детали, в которых возникнут при этом дополнительные напряжения. На заводе могут быть разработаны такие конструктивные формы деталей, в которых внутренние напряжения минимальны. Изменения структуры материала сопровождаются изменением его плотности, а также прочностных, электрических и магнитных характеристик. При обработке холодом стальных деталей можно добиться необходимого изменения указанных характеристик. В машиностроении широко используется нагрев (тепловая обработка) как средство получения высокопрочного или пластичного структурного состояния сталей и сплавов, а также для снижения остаточных напряжений и для уменьшения структурных отличий основного металла и сварных швов. Совершенствование техники получения низких температур и опыт использования холодильных установок позволяют применять холод в технологии машиностроения. Изучение поведения материалов и особенностей их разрушения при низких температурах имеет значение для успешного освоения Крайнего Севера и некоторых других районов страны, где техника работает значительное время года при низких (до 215 К) температурах. Машины и механизмы, не приспособленные для работы в таких условиях, быстро выходят из строя. Конструирование и производство такого рода техники должно определяться обоснованными рекомендациями по выбору материалов и экспериментально проверенных методов оценки склонности металлов к хрупкому разрушению. Уменьшить аварийность и повысить долговечность машин и механизмов можно только при условии учета особенностей поведения материалов при низких температурах, правильного подбора материалов для конструкций, несущих значительные силовые нагрузки, проведения испытаний деталей наиболее ответственных узлов и целых механизмов в условиях низких температур, вакуума, тепловых ударов и т. д.
