Теплофизические свойства твердых тел, страница 6

          1) термическое расширение большинства монокристаллов анизотропно, причем анизотропия кристаллов кубической сингонии минимальна; в монокристаллах асимметрия строения кристаллической решетки может привести к отрицательному значению ТКЛР в одном из направлений;

2) при нагревании происходит увеличение объема, но лишь у изотропных, аморфных и поликристаллических материалов можно полагать коэффициент объемного расширения равным примерно утроенному линейному;

3) различают истинный ТКЛР, изменяющийся с температурой, и средний ТКЛР, относимый к определенному интервалу температур, но в большинстве случаев в интервале 20...1000^oС можно полагать величину ТКЛР постоянной. Для различных видов технической керамики и стекол ТКЛР изменяется от 0,5×10^-6 град^-1 (кварцевое стекло) и 1×10^-6 град^-1 (кордиеритовая керамика) до 15,8×10^-6  град^-1  (периклазовая керамика MgO).

Поскольку термический коэффициент линейного расширения материала a связан с его теплоемкостью C_V (формула 2.2.7), а теплоемкость, в свою очередь, является очень чувствительной характеристикой структуры, точное измерение линейных размеров тела в процессе его нагрева и охлаждения - дилатометрия - используется в лабораториях при исследовании преимущественно структурных изменений. С высокой точностью фиксируются на температурной шкале точки фазовых переходов, если они сопровождаются изменением параметров решетки (происходит скачкообразное или плавное, но значительное изменение величины  , входящей в ТКЛР).                                        

2.2.5.2. Термические напряжения, термостойкость, термическая обработка материалов

Из самого факта расширения тел в процессе нагревания и сжатия в

 процессе охлаждения возникает возможность термических напряжений, появляющихся в теле вследствие наличия градиентов температур. Градиенты температур, в свою очередь, являются следствием высоких скоростей нагрева и охлаждения и особенно вследствие различий в величине сечений изделий, а также в условиях стесненности деформаций.

При производстве и эксплуатации многих современных деталей и конструкций,  изготовленных из металлов, сплавов, керамических и стеклянных материалов, возникает как классическая задача об определении упругих температурных напряжений при заданном распределении температуры в конструкции, так и задача о неупругом поведении конструкции под действием термических напряжений. Необходимо, оказывается, учитывать множество факторов, зачастую действующих совместно:

·  действие напряжений от внешних сил и температурных напряжений до и за пределами упругости;

·  потерю жесткости, устойчивости; 

·  возможность разрушений конструкций и деталей, в частности, в процессе термической обработки при производстве (обжиге, закалке);

·  термическую усталость, связанную с циклическим воздействием переменной температуры при эксплуатации;

·  поведение в условиях термического удара.

Источником термических напряжений являются деформации сжатия и растяжения, возникающие соответственно при охлаждении и нагревании. При одномерной деформации однородного стержня вследствие его нагрева величина удлинения равна

Dl = al₀(T – T₀),                                                                    (2.2.39)

где  l₀ - длина стержня при температуре Т₀; T₀ и T  - начальная и конечная температуры, a - коэффициент линейного расширения (ТКЛР).

Если все элементы тела могут свободно расширяться или сжиматься, а энергия в виде тепла сообщается телу достаточно однородно и медленно, то изменение температуры не вызывает напряжений. В противном случае в изделии в целом или в отдельных его частях возникают напряжения, которые могут иметь как один знак (напряжения или сжатия), так и различные знаки в разных точках объема. В пределах упругости по закону Гука

                                                                           (2.2.40)

где Е - модуль упругости материала, s - термические напряжения, которые при жестком закреплении концов стержня могут достигать величины (из подстановки формулы 2.2.40 в 2.2.39)

s = - aЕ(Т – Т₀).                                                                   (2.2.41)

Знак минус показывает, что при повышении температуры возникают сжимающие напряжения. Если условия закрепления отличаются от идеальной жесткости, то в формулу (2.2.41) вводят поправочные коэффициенты. Необходимо также учитывать возможность суммирования термических напряжений с напряжениями от действия внешних сил, например, вследствие влияния сил тяжести.

В практически важном случае тонкого поверхностного слоя пластин при нагреве или охлаждении возникают напряжения сжатия ли растяжения величиной

                                                            (2.2.42)

где m - коэффициент Пуассона, составляющий, в частности, для стекла, m = 0,2; Т_СР - температура объема пластин, Т - температура поверхности или среды, в которую внесена пластина.

Практически исключено применение «сырых», без упрочняющей термической обработки стальных деталей, хотя механическая их обработка – токарная и слесарная – производится именно в неупрочненном состоянии. Сложные структурные и фазовые изменения, сопровождающие технологические операции термической обработки металлов и сплавов, изучаются в специальных учебных курсах.

Широко применяется закалка твердого тела аморфного строения - стекла, используемого для витрин, дверей, окон автомобилей и в других случаях, когда необходима высокая прочность. Лист нагревают выше температуры стеклования (600^оС), чтобы обеспечить возможность локального перемещения атомов. После этого стекло быстро охлаждают путем обдувки воздухом или закалкой в масле (рис. 2.2.9). Из-за резкого снижения температуры происходит термическое сжатие поверхностного слоя и фиксирование в нем расположения атомов, характерного для высокой температуры.