3.3　过热与变形

为追求更大的推力或功率，航空发动机涡轮前的温度越来越高，但受材料的力学性能和耐热性能所制约不能太高。目前，军用发动机燃烧室的工作温度已经超过（[0-9]+）（[0-9]+）　K，已超出零件材料所能直接承受的温度，这些高温零件的正常工作依赖于良好的散热和隔热方法保障。由于零件承受的温度高，若散热和隔热出现问题，易导致零件产生过热和变形故障。

3.3.1　过热

零件材料在高温的影响下，出现变质、变形或蠕变而丧失原力学性能的现象，称为过热。这一温度称为这种零件材料的耐热临界温度。材料不同，耐热临界温度也各不相同。耐热温度越高的材料，称其耐热性能好，抗热蠕变性能强，称为耐高温材料。

1.过热的产生原因

过热产生的原因有材质的耐高温性能差，冷却、散热和隔热出现问题，工作喷嘴安装不正或积炭引起火焰位置改变，局部富油、开加力时间过长等。

2.过热故障的排除

机件过热后材料易出现变质、变色、变形、烧蚀、裂纹、掉块和烧穿等现象。修理的方法主要是换段、校正、补片和焊接等。防止零件出现过热的预防措施主要有提高材料的耐高温性能，采用新型的高比强和高比刚的耐高温复合材料。采用先进的冷却、隔热和散热结构措施，通过设计可防止材料的工作环境上升到材料的耐热临界温度。

3.3.2　变形

机件在荷载作用下，其尺寸和形状都会有不同程度的改变，这种尺寸和形状的改变称为变形。一般来说，材料或构件受力时，允许产生一定的弹性变形，不允许产生永久变形。但在一些特定场所，不允许存在弹性变形。凡是不允许产生的任何变形，都属于变形故障，须进行故障排除和修理。在某些情况下构件工作受力后产生了弹性变形，就会出现漏油、漏气现象。由于零件的变形，不能再承担原设计要求的功能，将改变受力情况，导致荷载分配异常、应力集中等。由此而产生性能的改变，造成故障的发生和发展，导致事故的发生。

航空发动机的细长杆、薄壁件和高温件易发生变形，常见的变形故障有扭转、伸长、翘曲、鼓包和弯曲等。

1.弹性变形

弹性变形是指构件在荷载作用下产生变形，荷载取消后变形也消失，恢复原来形状的一种现象。即材料的弹性变形，是材料在弹性变形极限以内的一种变形。材料可吸收发生弹性变形的荷载力，在一定的条件下又可将这个力释放出来，即恢复构件原来形状的力，这个力等于原荷载力。

由于弹性形变具有吸收和释放外力的特点，因此人们将其利用起来，制成带有弹性的零件。如橡胶密封圈、石棉垫。材料的弹性变形的程度，由材料弹性特征来确定，材料弹性特征好的，弹性形变的程度就大。弹性特征差的材料弹性变形程度就非常小。如弹簧钢筋，弹性变形的程度大。电工保险丝，弹性变形的程度很小。在材料发生弹性变形后，继续施力使其变形，这种超出弹性变形范围的变形，在取消外力后不能恢复原来的形状，即塑性变形。

根据胡克定律，杆件所受的外力（拉力或压力）不超过某一限度时，它的绝对伸长（或绝对压缩）ΔL与外力P及杆长L呈正比，与杆件的横截面积F呈反比。用公式表示为

ΔL=PL/EF　　　（1-3-1）

式中，E为材料的抗拉或抗压弹性系数，为常数，表示材料在外力作用下，抵抗拉伸和压缩变形的能力。

材料和构件变形随荷载呈比例变化的最大值，称为材料的比例极限，用σ比表示。小于比例极限的外力使材料产生的变形都是弹性变形。预防变形的方法主要是查找分析构件工作受力是否超出设计值，要把其荷载减到设计值以下，或提高构件的力学性能。

2.塑性变形

材料或构件受荷载时，产生较为显著的永久变形；或取消作用的外荷载后，不能恢复原来形状的现象，称为塑性变形。构件受外力作用后，晶格产生扭曲或滑移，晶粒被拉伸变细变长，或晶粒被压缩变短变粗，发生永久变形。这个开始产生较为显著的永久变形的值，称材料的弹性极限，用σ弹表示。

塑性变形根据受力的方位形式不同又可分为五种变形的基本形式。

（1）拉伸变形：材料晶格产生拉伸形成细长方向的变形。

（2）压缩变形：材料晶格产生变扁变短的方向变形。

（3）剪切变形：材料晶格产生部分拉伸变形，部分产生压缩变形，还有些晶格产生扭转、滑移等变形。

（4）扭转变形：材料晶格产生扭转拉伸变形。

（5）弯曲变形：材料的晶格一部分拉伸变形，一部分挤压变形，还有一部分不受拉也不受压，保持其原长进行纯弯曲变形。长度不变的纯弯变形的这一层，称为变形的中性层。

零件在工作中产生了永久变形，其主要原因是受力超过材料的弹性极限。也就是说构件所承受的力除工作荷载外，又增加了一个设计考虑之外的力，或者是材料本身有问题，或者是构件本身有问题，或者是构件的连接关系有变化等。

设计考虑之外的力有材料工艺内应力、热表处理内应力、变形恢复产生的内应力、恒定不变的外荷载、热应力、热荷载、热腐蚀、热蠕变和飞行特技荷载等。材料本身存在的问题缺陷、振动裂纹、变质、构件本身问题、设计不合理和工艺方法不对也是产生塑性变形的重要原因。

3.金属蠕变

金属材料在一定温度下，受持续应力的作用而引起的缓慢塑性变形称为金属蠕变。在一定的温度和应力作用下，蠕变变形逐渐增加，形成裂纹并发展，最终断裂，这种断裂称为蠕变断裂。引起蠕变的应力叫蠕变应力，导致断裂的最小应力叫蠕变断裂应力，又称蠕变强度或蠕变断裂强度。

蠕变可发生于低温和室温下，但只有当温度高于0.3Tm（Tm是用绝对温度表示的熔点）时才比较显著。蠕变可在单一应力状态下发生，也可在复合应力状态下发生。温度越高，蠕变现象越显著。