УДК: 621.002.3:669.1

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ

RESEARCH OF RELAXATION FIRMNESS OF HEAT RESISTING STEEL

 

Густов Ю. И., Воронина И.В., Воробьев П.Ю. (Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва, РФ)

 

Gustov Yu.I., Voronina I.V, Vorob'ev P. Yu. («Moscow State

of civil engineering» (National Research University)

 

Представлены результаты исследования релаксационной стойкости жаропрочной стали марки 08Х15Н24В4ТР применительно к деталям строительных машин и оборудования, работающим при высоких температурах и больших механических нагрузках. Показано, что наибольшей релаксационной стойкостью данная сталь обладает при наименьших напряжениях и температурах.

 

Results of a research of relaxation firmness of heat resisting steel of brand 08X15H24B4TP in relation to the details of construction cars and the equipment working at high temperatures and big mechanical loadings are presented. It is shown that this steel has the greatest relaxation firmness at the smallest tension and temperatures.

 

Ключевые слова: строительные машины, оборудование, жаропрочная сталь, релаксационная стойкость, рабочие напряжения, деформация, температура.

Keywords: construction machines, equipment, heat resisting steel, relaxation firmness, working tension, deformation, temperature.

 

Многие детали современных двигателей внутреннего сгорания строительных машин, паросиловых установок, газовых турбин, газопроводов, оборудования водоснабжения, теплогазоснабжения и вентиляции жилищно-коммунального комплекса нагреваются до высоких температур и испытывают большие механические нагрузки. В связи с этим при выборе металлических материалов для таких объектов решающее значение имеют температура, длительность работы под нагрузкой и действующие напряжения.

При длительном нагружении и высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами, для которых характерны процессы ползучести и релаксации напряжений [1-4].

Релаксационная стойкость оценивается сопротивлением релаксации напряжений. Релаксация напряжений характеризуется снижением рабочих напряжений от s1 до s2 при заданной упругой деформации. Релаксация напряжений опасна тем, что при переходе части упругой деформации в пластическую, упругие элементы после разгрузки изменяют размеры и форму [1].

Целью работы является исследование релаксационной стойкости стали марки 08Х15Н24В4ТР [2]. Критерий релаксационной стойкости оценивали по формуле

 (1)

где s0 –начальное (релаксируемое) напряжение, st - текущее напряжение, t-время.

Исходные данные и расчетные критерии сопротивления релаксации (КСР) представлены в табл. 1.

 

Таблица 1 - Релаксационная стойкость стали 08Х15Н24В4ТР при [t] = 1000ч

t,

°C

s0,

МПа

st, МПа, за время t, ч.

Ds1000,

МПа

КСР×103

МПа/ч

160

500

1000

2000

5000

10000

550

200

155

154

153

152

152

152

48

4,8

250

219

218

218

218

216

200

50

5,0

300

273

273

271

269

265

249

51

5,1

600

200

185

183

182

179

176

166

34

3,4

250

227

226

224

219

213

198

52

5,2

300

268

266

266

263

256

243

57

5,7

650

200

177

174

169

162

-

132

68

6,8

250

204

198

189

186

-

153

97

9,7

300

248

245

236

228

-

188

112

11,2

700

200

162

143

131

123

108

85

115

11,5

250

189

174

159

148

134

100

150

15,0

300

238

210

179

172

156

113

187

18,7

 

Интерполяционные значения st при выбранном шаге времени t=500ч и критерии релаксационной стойкости (КСР) приведены в табл. 2 и 3.

 

Таблица 2 - Интерполяционные значения напряжений и критериев стойкости релаксации при [t] = 4500ч

t,

°C

s0,

МПа

st, МПа, за время t, ч

Ds4500,

МПа

КСР×103

МПа/ч

1500

2500

2500

3500

4000

4500

550

200

152,3

152,0

152,0

152,0

152,0

152,0

48

10,7

250

218,0

218,0

218,0

217,6

217,2

216,6

33,4

7,4

300

269,7

268,6

268,6

267,6

266,9

266,0

34

7,6

600

200

180,0

178,3

178,3

177,6

177,3

176,8

23,2

5,2

250

221,5

217,0

217,0

215,0

214,4

213,8

36,2

8,0

300

264,0

262,0

262,0

259,5

258,4

257,0

43

9,6

650

200

164,5

159,5

159,5

156,0

154,5

153,5

46,5

10,3

250

187,0

185,5

185,5

184,0

183,0

181,6

68,4

15,2

300

231,0

227,0

227,0

225,4

224,0

222,3

77,7

17,3

700

200

126,6

120,0

120,0

114,8

112,7

110,4

89,6

19,9

250

152,0

145,5

145,5

141,5

139,5

137,0

113

25,1

300

172,3

172,1

172,1

167,6

163,9

160,0

140

31,1

 

Таблица 3 - Интерполяционные значения напряжений и критериев стойкости релаксации при [t] = 8000ч

t,

°C

s0,

МПа

st, МПа, за время t, ч

Ds8000,

МПа

КСР×103

МПа/ч

5500

6000

6500

7000

7500

8000

550

200

152,0

152,0

152,0

152,0

152,0

152,0

48

6

250

215,2

214,2

213,1

211,8

210,3

208,7

41,3

5,2

300

264,0

262,7

261,3

259,8

258,2

256,4

43,6

5,5

600

200

175,3

174,4

173,6

172,6

171,6

170,6

29,4

3,7

250

212,4

211,3

210,2

209,0

207,5

206,0

44

5,5

300

255,0

254,0

252,6

251,4

250,2

249,0

51

6,4

650

200

149,5

147,6

145,6

143,7

141,7

139,8

60,2

7,5

250

178,2

176,0

173,8

171,0

168,5

165,8

84,2

10,5

300

217,2

214,4

211,6

208,8

205,3

202,0

98

12,2

700

200

105,9

103,7

101,6

99,6

97,3

95,1

104,9

13,1

250

131,0

127,7

124,5

121,0

118,0

114,5

135,5

16,9

300

151,9

147,8

143,7

139,4

135,0

130,8

169,2

21,2

 

Анализ табличных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1.       При определенной температуре (см. табл. 1) с увеличением напряжения s0 критерий сопротивления релаксации КСР возрастает: при t=500°С от 4,8×10-3 до 5,1×10-3, при t=600°С от 3,4×10-3 до 5,7×10-3, при t = 650°С от 6,8×10-3 до 11,2×10-3, при t=700°С от 11,5×10-3 до 18,7×10-3МПа/ч.

2.       В выбранных временных интервалах (см. табл. 2 и 3) с повышением температуры 600, 650, 700°С при заданных значениях напряжения s0 наблюдается также увеличение критерия сопротивления релаксации. Исключение составляет случай при температуре 500°С: при s0=200МПа критерий сопротивления релаксации имеет наибольшее значение вследствие неизменности st =152МПа с t=2000ч по t=10000ч.

 В связи с рассмотрением частных временных интервалов (см. табл. 2 и 3) вызывает интерес использование интегрального критерия релаксации вида

 (2)

Так, для данных табл. 2 получены следующие значения КР (табл. 4)

 

Таблица 4 - Интерполяционные значения напряжений и критериев стойкости релаксации при [t] = 8000ч

t,

°C

s0,

МПа

Ds,

МПа

КР×104 МПа/ч, в интервале 1500-4500ч

Ds,

МПа

КР×104 МПа/ч в интервале 5500-8000ч

550

200

0,3

1,0

0

0

250

1,4

4,7

6,5

26,0

300

3,7

12,3

7,6

30,4

600

200

3,2

10,7

4,7

18,8

250

7,7

25,7

6,4

25,6

300

7,0

23,3

6,0

24,0

650

200

11,0

36,7

9,7

38,8

250

5,4

18,0

12,4

49,6

300

8,7

29,0

15,2

60,8

700

200

16,2

54,0

10,8

43,2

250

15,0

50,0

16,5

65,0

300

12,3

41,0

21,1

84,4

 

По результатам таблицы 4 можно отметить следующее:

1.  Для интервала времени 1500-4500ч отмечается различный характер изменения Ds и критерия релаксации КР с увеличением напряжения s0 и температуры t.

2.  В интервале времени 5500-8000ч наблюдается увеличение Ds и критерия релаксации КР с повышением s0 и температуры t. Это обстоятельство согласуется с пунктом 1 выводов по таблице 1.

Исследуя значения остаточных напряжений стали 08Х15Н24В4ТР при различной степени начального напряжения и различных температурах, можно отметить общий характер поведения материала, представленный на рис.1.

Рисунок 1- Обобщенная диаграмма релаксационной стойкости стали 08Х15Н24В4ТР

 

Список использованных источников

1.    Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 648 с.

2.    Справочник по конструкционным материалам / Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 640 с.

3.    Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др. М.: Машиностроение, 1990. 688 с.

4.    Материаловедение / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. М.: Металлургия, 1975. 447 с.