Теплофізичні і механічні характеристики матеріалів і їх залежність від температури

 

Для розрахунків напружень і деформацій при зварюванні необхідно мати експериментальні дані про поведінку матеріалів в умовах циклічних змін температури і деформації. До теплофізичних характеристик, що впливають на об'ємні зміни при нагріванні, відносяться наступні:

- коефіцієнт температурного розширення α (1/°С), характеризує зміну довжини одиничного стержня при нагріванні на 1°С;

- питома теплоємність сρ (Дж/(°С кг)), характеризує здатність тіла підвищувати температуру при підведенні теплової енергії і відповідає теплу, яке потрібне для нагрівання 1 кг речовини на 1°С;

- об’ємна теплоємність сρ(Дж/см³°С), аналогічна попередній характеристиці тільки відноситься не до маси, а до об’єму;

- коефіцієнт теплопровідності λ (Вт/(см °С)) характеризує здатність до передачі тепла у нерівномірно нагрітому тілі і є теплопровідністю речовини, у якій при поверхневій густині теплового потоку 1 Вт/м² встановлюється температурний градієнт 1°С/см;

- коефіцієнт тепловіддачі α_Т (Вт/см²·°С) характеризує теплообмін між нагрітим тілом і навколишнім середовищем;

- коефіцієнт температуропроводності а=λ/сρ (см³/с) характеризує швидкість розповсюдження теплоти.

Значення теплофізичних характеристик для декількох характерних матеріалів подані у таблиці 2.1.

Теплофізичні характеристики суттєво змінюються зі зміною температури (рисунок 2.2). Однак, встановлено, що відношення α/сρ, від якого залежать об`ємні деформації, залишається сталим у широкому діапазоні температур, що виправдовує використання лінеаризованих рівнянь теплопровідності.

Для побудови термомеханічних процесів деформування матеріалів необхідно мати залежності механічних характеристик матеріалу від температури. На рисунку 2.3 наведені залежності від температури для мало вуглецевої сталі і титанового сплаву двох найбільш важливих механічних характеристик - модуля пружності Е і границі текучості σ_Т.

З урахуванням залежності цих характеристик від температури, діаграма циклічного деформування жорстко закріпленого стержня з маловуглецевої сталі (рисунок 1.1) матиме вигляд, показаний на (рисунку 2.4).

Таблиця 2.1 -Теплофізичні характеристики матеріалів

Характеристика	Матеріали
Маловуг-лецеві сталі	Нержавію-ча сталь 1Х18Н9Т	Алюмініє-ві сплави АМг5, АМг6	Титан
Температурний діапазон, ˚С	450-550	600-700	300-400	700-800
Температурний коефіцієнт лінійного розширення, 1/˚С	13,6·10-6	18,6·10-6	23,5·10-6	9,9·10-6
Коефіцієнт теплопровідності λ, Вт/(см·с·˚С)	0,38-0,42	0,22-0,25	1,35-1,45	0,13
Питома теплоємність С, Дж/(см2·˚С)	0,52-0,67	0,50-0,63	1,05-1,10	0,60
Об’ємна теплоємність сρ, Дж/(см3·˚С)	4,1-4,5	3,9-5,0	2,8-2,9	2,65
Коефіцієнт температуропроводності а, см2/с	0,08-0,10	0,044-0,064	0,41-0,52	0,05

 

Зважаючи на складність цієї діаграми, її спрощують, позначаючи більш чітко характерні температури, при яких починаються переходи матеріалу до іншого стану. Такими характерними точками є Т_S - температура початку пластичних деформацій у жорстко закріпленому стержні;

T_2S - температура, вище якої виникають вторинні пластичні деформації розтягу (для жорстко закріпленого стержня);

Т`_* - температура початку зменшення границі текучості (початок процесу знеміцнення матеріалу);

Т_* - температура, при якій матеріал втрачає пружні властивості (знеміцнюється). Для маловуглецевих сталей значення цих температур слідуючи: Т_S = 100°С. Т_2S = 200°С, Т`_* = 500°С, Т_* = 600°С. Зазначимо, що схематична залежність σ-ε (рисунок 2.5) прийнятна для маловуглецевих сталей.

Для інших матеріалів при побудові діаграми циклічного деформування необхідно враховувати відповідні залежності від температури механічних характеристик, зокрема модуля пружності і границі текучості.

 

Рисунок 2.2 – Залежності основних теплофізичних параметрів матеріалів від температури

 

 

Рисунок 2.3 – Залежності модуля пружності та границі текучості від температури для сталі 3 та титанового сплаву ВТ-5

Рисунок 2.4 – Діаграма циклічного деформування жорстко закріпленого стержня з маловуглецевої сталі

 

 

Рисунок 2.5 – Схематизована діаграма циклічного деформування жорстко закріпленого стержня з маловуглецевої сталі