Теплофизические свойства твердых тел, страница 7

Неправильный выбор режима может привести к появлению на этом этапе закалочных трещин, особенно в телах сложной формы. Центральная зона остается горячей, пластичной и релаксирует возможные напряжения, в целом напряжения в поверхностном слое на этом этапе близки к нулю или даже присутствуют небольшие напряжения растяжения. При дальнейшем охлаждении внутри объема происходит сжатие и образование структуры с равновесными для комнатной температуры расстояниями между атомами. Этому процессу препятствует поверхностный слой, где расстояния между атомами - неравновесные. Поэтому в поверхностном слое возникают сжимающие напряжения, а внутри объема - растягивающие. Если теперь на лист действовать растягивающей нагрузкой (сжимающим нагрузкам все твердые тела противостоят хорошо), то разрушение поверхностного слоя начинается только после того, как будут компенсированы упругие остаточные напряжения сжатия.


Рис. 2.2.9. Схема формирования остаточных напряжений сжатия в листовом материале при закалке: а - при нагреве стекло свободно расширяется, напряжения отсутствуют; б - при быстром охлаждении структура поверхностного слоя фиксируется высокотемпературным расположением атомов, центральная зона пластична и релаксирует напряжения поверхностного слоя; в - центральная зона остывает и термически сокращается, в ней формируются остаточные напряжения растяжения, а в поверхностных слоях - напряжения сжатия; г - эпюра остаточных напряжений после закалки

Прочность закаленных стекол достигает 200...300 МПа при воздушной закалке и 400... 500 МПа при закалке в жидкости (против 30…60 МПа для обычного стекла после механической обработки). Еще больший эффект - рост до 800 МПа - достигается при термофизической обработке, заключающейся в закалке стекла с последующим травлением поверхности. Комбинация закалки стекла с травлением поверхности позволяет увеличить прочность стекла в 10...20 раз.

Рассмотрению  разнообразных случаев воздействия равномерных и неравномерных во времени и пространстве тепловых потоков  посвящены специальные исследования, особенно широко проводимые в двигателестроении и авиационной промышленности. Циклические термические напряжения, обусловленные воздействием перемежающихся температур, а также способность изделия противостоять термическому удару характеризуются термической стойкостью изделия.

Изделия разрушаются в том случае, если возникающие вследствие термических (или суммарных с термическими) напряжений силы растяжения, сжатия или сдвига превосходят допустимый предел прочности материала этого изделия. Эмпирически установлено, что характеризовать термическую стойкость можно некоторым интегральным коэффициентом термической стойкости  Km:

                                                                   (2.2.43)

где l - коэффициент теплопроводности материала; sp- предел прочности при разрыве; С - теплоемкость; g - плотность; a - ТКЛР; Е - модуль упругости. Коэффициент «а» зависит от формы изделия и условий механического и термического нагружения и должен определяться экспериментально для каждой группы идентичных изделий и близких условий эксплуатации.

Например, определяется число теплосмен n, при котором изделие полностью или частично разрушается вследствие нагревания до температуры Т  со скоростью  (град/мин) и последующего медленного или резкого охлаждения на воздухе или в другой среде. В частности, огнеупоры часто испытывают нагревом до 800оС с последующим охлаждением в воде при 20°С. В лабораториях испытания производят на специальных образцах в виде балочек, однако в ответственных случаях  производят и натурные испытания серийных изделий.

На термическую стойкость гетерогенных структур керамики сильно влияют их макро- и микроструктура. Материал с пористой зернистой структурой, как правило, более стоек, чем монолитный, плотный. В плотных структурах отмечается тенденция к улучшению термостойкости у крупнозернистых материалов.

Термические напряжения, возникающие в ходе термической обработки изделия, как правило, приводят к формированию поля остаточных напряжений в охлажденном изделии. Остаточные напряжения могут играть как положительную, так и отрицательную роль в процессе эксплуатации изделия; как правило, остаточные  напряжения растяжения вредны, а напряжения сжатия полезны.

        Закалка, как результат воздействия резкого градиента температуры, вызывающего, с одной стороны, значительные температурные напряжения, а с другой - фиксирующих  высокотемпературные состояние внутренней структуры, представляет собой пример теплового удара. Как правило, лишь пластичные материалы могут выдержать воздействие теплового удара без разрушения, поэтому подбор температуры и режима охлаждения при закалке должны являться предметом тщательного экспериментального исследования в каждом конкретном случае.

2.2.7. Теплопроводность твердых тел, температуропроводность

Теплопроводностью называют свойство материалов передавать энергию хаотического или колебательного движения от одной поверхности к другой. Это свойство является определяющим для таких металлов, как медь, алюминий, широко применяемых при изготовлении теплоотводящих радиаторов в электронике и, в особенности, для большой группы теплоизоляционных материалов, применяемых для устройства наружных стен и покрытий зданий, сооружений, тепловых агрегатов. От этого качества  решающим образом зависят многие параметры технологического процесса производства изделий.

Количество тепла dQ, передаваемого через любую площадку dS

внутри тела (например, стержня, нагреваемого с одного конца - рис. 2.2.10, Т2> Т1) за время dt можно найти из известного уравнения Фурье:

                                                                  (2.2.44)

где коэффициент l [Вт/(м×град)] есть коэффициент теплопроводности.

          На сегодняшний день нет строгой теории, позволяющей количественно определить величину этого коэффициента даже для чистых однородных монокристаллических или поликристаллических веществ. Задача многократно усложняется, если возникает такая потребность в отношении многофазных и многокомпонентных систем, в том  числе и для аморфных веществ.