МЕТАЛЛ ПАРОВОГО КОТЛА

СТРОЕНИЕ (СТРУКТУРА) ЖЕЛЕЗА

В настоящей книге рассматриваются конкретные во­просы, связанные с работой стальных деталей парового котла. Но для изучения этих сугубо практических вопро­сов необходимо знать общие сведения, касающиеся строения стали и ее ' свойств.

В схемах, показывающих строение металлов, атомы иногда изображают в виде соприкасающихся друг с дру­гом шаров (рис. 1). Такие схемы по­казывают расстановку атомов в ме­талле, но в них трудно наглядно пока­зать расположение атомов друг отно­сительно друга. Более удобны схемы, в которых атомы изображены в виде кружков произвольных размеров, на­ходящихся на некотором расстоянии друг от друга (рис. 2).

Рис. I. Расположе­ние атомов в эле­ментарной кристал­лической ячейке альфа-железа.

В твердых телах атомы располагаются друг относи­тельно друга в определенном порядке. В частности, для железа характерны следующие два основных вида распо­ложения атомов. При обычной температуре мы имеем дело с так называемым альфа-железом (а-железо, рис. 2,а). При нагреве альфа-железа до 910° С происхо­дит перестройка атомов, в результате чего возникает так называемое гамма - железо (у-железо, рис. 2,6). Осты­вание гамма-железа сопровождается обратной пере­стройкой атомов в альфа-структуру.

Схемы, показанные на рис. 2, характеризуют взаим­ную связь лишь нескольких соседних атомов. Эти атомьіі образуют элементарную ячейку кристаллической

Рис. 2. Схемы элементарной кристаллической ячейки железа. а и б—элементарные кристаллические ячеКки соответственно альфа - и гам - ма-желгза (черным кружком показано расположение атома углерода, раство­ренного в гамма-железе).

А) б) Рис. 3. Схема строения участка кристаллической решетки. А—схема сопряжения элементарных ячеек аль^а-железа; б — более упрощенная схема, показывающая не вполне правиль­ное строение кристаллической решетки.

Решетки, часть которой показана схематически на рис. 3,а. Несколько большее количество элементарных ячеек изображено в еще более схематическом виде на рис. 3,6, на котором, в частности, видно не вполне пра-

Рис. 4. Структура трех осііозеіьіх ттіпоз котельных сталей пря усе - личеиии в 75 раз. А— углеродистая сталь марки 2); б — легированная сталь марки 12ХМФ пер­литного класса; в — аустенитная сталь марки 1Х18НІ2Т.

Вильное строение действительной кристаллической ре­шетки.

Если отполированную и протравленную поверхность металла рассматривать иод микроскопом, то можно уви­деть, что металл состоит из отдельны* зерен (кристал-, л и то в; рис. 4).

2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Высокая про ч ноеть, т. е. способность деталей или конструкций выдерживать нагрузки без разрушения, яв­ляется основным требованием, предъявляемым к конст­рукционным сталям вообще и котлостроительным мате­риалам в частности.

По мере увеличения нагрузки происходит изменение размеров (деформация) элементов парового котла. Например, при растяжении увеличивается их длина и уменьшается площадь поперечного сечения. Если сила, вызывающая эту деформацию, невелика, то после пре­кращения ее действия элемент парового котла полностью восстанавливает свои первоначальные размеры*. Такие Деформации называются упругими. При этом не про­исходит изменения строения кристаллической решетки, изменяются лишь расстояния между атомами.

Упругая деформация пропорциональна приложенной нагрузке. Эту особенность можно видеть, например, в пружинных весах, у которых деформация пружины пропорциональна весу груза.

Рис. 5. Упрощенная схема начального момента сдвига атомов аль­фа-железа при пластической деформации (черные стрелки показыва­ют направление внешних сил). А—расположение плоскости сдвига в группе кристаллических ячеек; б— одна из возможных плоскостей сдвига н элементарной кристаллической ячейке (заштрихована).

При возрастании нагрузки упругая деформация мо­жет увеличиваться лишь до определенного предела, 'по­сле которого в стали происходят необратимые изменения. Эти изменения заключаются в том, что внутри зерен (кристаллитов) происходит смещение отдельных слоев атомов относительно друг друга (рис. 5,о). Поверхность

А)

Форма кристаллитов не восстанавливается. Поэтому пос­ле приложения больших нагрузок кристаллиты стано­вятся удлиненными, .вытянутыми в одну сторону (рис. 6,6), что приводит к изменению размеров детали.

Сдвиг слоев атомов лишь в начальный момент яв­ляется их скольжением друг относительно друга. В зоне сдвига кристаллическая решетка искажается, что препят­ствует дальнейшему сдвигу и, как правило, приводит к увеличению прочности металла

Рис. 6. Пластическая деформация зерен железа, о—линии сдвига в чистом железе |Л. 11]; б —изменение формы зерен феррита при большой пластической деформации (увеличено а 200 раз).

Следует иметь в виду, что 'механизм пластической де­формации гораздо сложнее, чем схематически изложено выше.

Для сравнения прочности различных металлов изго­товляют 'образцы в виде круглых стержней, которые ра­стягивают на особых машинах. Если в каждый момент растяжения производить измерения приложенной к об­разцу нагрузки Р и величины приращения длины образ­ца А/, то можно построить график, который называется первичной диаграммой растяжения (рис. 7). Такая диаг­рамма показывает, что упругие деформации могут уве­личиваться только до определенного предела (точка Т ка кривой рис. 7). Как указывалось, дальнейшее увели­чение нагрузки сопровождается появлением п л а с ти - ч е е к их деформаций, которые не исчезают после снятия нагрузки.

Нение, меньшее т. Когда действие этой силы прекращает­ся, стержень укорачивается до начальной длины (рис. 8,6).

На рис. 8,6 изображено действие внешней силы Рь при котором удлинение стержня превышает величину т. Когда эта сила перестает действовать, стержень укора­чивается лишь на* величину п и остается длиннее, чем до растяжения (рис. 8,г). Если снова нагрузить стержень такой же растягивающей силой, он удлинится на ту же величину п (рис. 8,6); при снятии нагрузки он укоротит­ся так же, как и в первый раз.

Рис. 8. Схема удлинения стального стержня при упру­гой и пластической деформациях.

При чрезмерном увеличении внешних сил нарастание пластической деформации приводит к появлению трещин и металл начинает разрушаться.

Отрезок от вертикальной оси до точки В (см. рис. 7) соответствует деформации при максимальной нагрузке, которую может выдержать образец до разрушения. Если приложена эта нагрузка, то в образце появляется мест­ное утонение (шейка). С этого момента. нарастание удлинения образца может происходить при уменьшаю­щейся нагрузке до тех пор, пока не произойдет разру­шение (точка R на рис. 7). С увеличением площади поперечного сечения образец будет выдерживать более высокие нагрузки.

Прочность материалов обычно характеризуют нагруз­кой Р (кг) на единицу площади первоначального попе­речного сечения образца F0(mm2). Это отношение назы­вается напряжением и измеряется в килограммах на квадратный миллиметр (кг/мм2), т. е.

O = jr кг]ммг.

' о

Для сравнения пластических свойств материалов (на­пример, их остаточного удлинения после снятия растяги­вающей нагрузки) пользуются также относительными ве­личинами. Одной из таких величин является относи­тельное удлинение, равное приращению длины образца А/ 'под нагрузкой, отнесенному к первоначаль­ной его длине /0. Относительное удлинение, измеряемое в процентах, равно:

8 = ^-103 °/0.

<о

Если построить диаграмму растяжения в координатах о и е (рис. 9), то она будет иметь такой же вид, как и предыдущая (см. рис. 7), построенная в координатах Р и А/. Характерными точками этой диаграммы являются ат и ав . Первая из них называется пределом теку­чести и представляет напряжение, при котором удлинение испытываемого образца происходит без увеличения напряжения (на диаграмме этот ко­роткий участок кривой, па­раллельный горизонталь - У ной оси, называется пло - шадкой текучести). Вто - Рис. 9. Диаграмма растяжения ме - рая точка называется талла в координатах сие. пределом прочно­сти ofl; она характери­зует максимальное напряжение, которое выдерживает образец до его разрушения. Пределы текучести и проч­ности металлов, так же как напряжение, измеряются в килограммах на квадратный миллиметр и исполь­зуются в расчетах на прочность.

Рассмотренный процесс растяжения образца ироисхої дит при медленном увеличении нагрузки. Применяется также испытание металла при ударном приложении на­грузки. В этом случае работа, затраченная на разруше­ние и отнесенная к единице площади поперечного сечения образца, носит название ударной вяз­кости.