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材料性能(彈性系數(shù),熱系數(shù),熱疲勞)與溫度的關(guān)系

  與溫度有關(guān)的材料系數(shù)有兩種類型:一類是與材料的力學(xué)性能有關(guān)的材料系數(shù);另一類是與熱傳導(dǎo)相關(guān)的材料系數(shù)。屬于前者的有E,G,v,a;屬于后者的有C(比熱容),ρ (密度),k(熱傳導(dǎo)系數(shù))等。這些系數(shù)實際上并非常數(shù),而是隨溫度而變化的。但當(dāng)溫度不高時,通常取平均值當(dāng)作常數(shù)處理,然而在溫度高、變化大的情況下,則必須考慮其隨溫度的變化。

1

彈性系數(shù)與溫度的關(guān)系

      金屬的彈性系數(shù)E,剪切模量G隨溫度增高而減小,泊松比v隨溫度變化不大。E,G與溫度的測定有靜態(tài)法和動態(tài)法,前者是在高溫爐由加載進行測試,后者則采用振動法或超聲波脈沖法進行測定。振動法是使試件在高溫爐中做彈性振動,通過測定頻率來測定彈性常數(shù)。超聲波法則是給試件以超聲波,通過測量波的傳播速度來測定E,G,v。

2

熱系數(shù)與溫度的關(guān)系

      金屬材料的熱系數(shù)與溫度一般呈線性關(guān)系,線脹系數(shù)a大體上隨溫度升高而直線增加,導(dǎo)熱系數(shù)k隨溫度增加而減小,比熱容隨溫度增加而增高。通過試驗測得的熱系數(shù)與溫度關(guān)系的直線斜率或曲線曲度,即可知具體材料的熱系數(shù)隨溫度的變化。例如,從不同的資料來源,碳鋼的熱系數(shù)隨溫度變化如圖1所示。

導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線

線脹系數(shù)隨溫度變化曲線

比熱容隨溫度變化曲線

3

材料的熱疲勞

      當(dāng)延性材料隨溫度升高,即使所受應(yīng)力超過屈服點也不會立即破壞,但即使應(yīng)力水平較低,若有較大的溫度變化反復(fù)進行時,最終會由于疲勞而產(chǎn)生龜裂而導(dǎo)致破壞。這種現(xiàn)象稱為熱疲勞。

設(shè)有一試驗棒兩端固定,受最高和最低溫度之間的反復(fù)熱循環(huán)過程如圖2所示。


熱循環(huán)與應(yīng)力-應(yīng)變圖線


     假設(shè)試驗開始時,棒在最高溫度下固定,然后冷卻產(chǎn)生拉應(yīng)力,OAF為一應(yīng)力變線。然后,若重新加熱,則應(yīng)力一應(yīng)變線開始時平行于OA向下移動,在比冷卻循環(huán)拉力低的應(yīng)力下產(chǎn)生屈服,最后到達E點。若在最高溫度下保持一段時間,則由于產(chǎn)生應(yīng)力松弛使壓應(yīng)力減小到達E'點。如再開始冷卻,則沿E'F'上升,在最低溫度時達到F'點。由于在最低溫度下不產(chǎn)生壓力松弛。若再開始加熱,則圖線沿F'E"下降,在最高溫度時到E"點。此處因應(yīng)力松弛應(yīng)力減小移至E"'點,若再開始冷卻,則沿曲線E"'F"在最低溫度達到F"點。

     若重復(fù)這種冷卻一加熱循環(huán),則應(yīng)力一應(yīng)變圖線每次都描繪出一條滯后曲線,與其有關(guān)的返復(fù)塑性應(yīng)變就是熱疲勞的原因。熱循環(huán)的最高和最低溫度、平均溫度、最高溫度的保持時間、重復(fù)速度、材料的彈塑性質(zhì)等都是影響熱疲勞的因素。

     熱疲勞的強度是指一個循環(huán)的塑性應(yīng)變εP和到達破壞的重復(fù)次數(shù)N之間的關(guān)系。根據(jù)曼森-科芬的經(jīng)驗公式:

      其中,εf表示一個熱循環(huán)的平均溫度下的靜拉伸試驗中材料破壞時的伸長。

      以上所述的僅是材料的單向熱應(yīng)力疲勞,實際結(jié)構(gòu)的熱疲勞則是多方向的,是一個專門的研究領(lǐng)域。

來源:嘉峪檢測網(wǎng)

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