Материаловедение

Механические свойства сплавов

1. Понятие конструкционная прочность материалов и критерии её оценки

Факторы, которые определяют работу конструкционных материалов:

  • статические, циклические и ударные нагрузки;
  • низкие и высокие температуры;
  • контакт с различными средами.

Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых – эксплуатационные, технологические, экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Надо помнить, что требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

Рабочая среда – жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, как правило, оказывает отрицательное влияние на механические свойства материала (коррозионное растрескивание, окисление, изменение химического состава и как результат охрупчивание и т.д.)

Температурный диапазон от -269 до 2000оС. От материала требуется – жаропрочность, а при низких температурах – хладостойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоёмкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризует возможные методы его обработки. Она оценивается: обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. От неё зависят производительность и качество изготовления детали.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Использование материалов, содержащих легирующие элементы (особенно дефицитные), должно быть обоснованно повышением эксплуатационных свойств детали. Эти требования приобретают особое значение при массовом масштабе производства.

Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев:

  • прочности;
  • надёжности;
  • долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы.

При статических нагрузках, при испытании на растяжения, предел прочности (σв) или предел текучести (σ0,2, σт) – характеризуют сопротивление материала пластической деформации (рис.1). Для приближенной оценки статической прочности используют твёрдость НВ или НR (рис.2, 3) (для стали справедливо эмпирическое соотношение σв = НВ/3).

Испытание на растяжение

Рис.1 Испытание на растяжение

Измерение твёрдости по Бринеллю

Рис.2 Измерение твёрдости по Бринеллю

При циклических нагрузках: предел выносливости σR (при симметричном круговом изгибе σ-1).

Надо помнить – чем больше прочность материала, тем большие допустимые рабочие напряжения и тем самым меньшие размеры и масса детали.

Однако – повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций:

εупр = σупр/Е,

где Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга), характеристика жёсткости металла. Именно критерии жёсткости, а не прочности обуславливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов приборов, важно обеспечить большие упругие перемещения. Тогда от материала требуется высокий предел упругости σупр и низкий модуль упругости Е.

Измерение твёрдости по Роквеллу

Рис.3 Измерение твёрдости по Роквеллу

Дополнение: для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет эффективность материала по массе. Она оценивается удельными характеристиками:

  • удельной прочностью σв/ρg (ρ – плотность, g – ускоренное свободное падение);
  • удельной жёсткостью Е/ ρg.

Примечание: для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.

Вывод – в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в конкретных условиях эксплуатации.

Надёжность свойство материала противостоять хрупкому разрушению (внезапному отказу).

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать:

  • достаточной пластичностью δ, % и ψ, %;
  • ударной вязкостью КСU (МДж/м2) рис.4, рис.5

Маятниковый копёр для определения ударной вязкости

Рис. 4 Маятниковый копёр для определения ударной вязкости

Испытания на ударную вязкость

Рис.5 Испытания на ударную вязкость

Однако эти параметры определены на лабораторных образцах, без учёта реальных условий эксплуатации конкретной детали. Необходимо учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения:

  • концентраторы напряжений (надрезы);
  • понижение температуры;
  • динамические нагрузки;
  • увеличение размеров деталей (масштабный фактор).

Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость.

Трещиностойкость – группа параметров надёжности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчётные напряжения.

Для трещины длиной l и радиусом r напряжения в вершине:

σуmах = σср 2l/ r

Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее её вершина. Для пластичных материалов опасность таких дефектов не велика. Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам.

Оценку надёжности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (трещины) проводят по критерию Ж.Ирвина ).

К = σср √ α π lкр , (МПа х мм1/2 )

где π – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

К критерий вязкости разрушения, зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (её затуплении) и характеризует развитие вязкой трещины. Чем он больше, тем выше надёжность материала.

Для оценки надёжности материала используют также параметры:

  • ударную вязкость КСU, КСV, КСТ (МДж/м2);
  • температурный порог хладноломкости Т50 .

Параметром КСV оценивают пригодность материала для сосудов давлении, трубопроводов и других конструкций повышенной надёжности.

Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он учитывается при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин).

Порог хладноломкости Т50 характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре (рис.6). Т50обозначает температуру при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается на половину.

порог хладноломкости

Рис.6 Температура Тхл.50) порог хладноломкости

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса).

Постепенный отказ – потеря материалом работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий.

Причины потери работоспособности, т.е. постепенного отказа:

  • развитие процессов усталости;
  • изнашивание;
  • ползучести;
  • коррозии;
  • радиационного разбухания и пр.

Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжения. Цикл напряжения – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями σmaх и σmin в течение периода Т.

Синусоидальный цикл изменения напряжения характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σmin / σmaх; амплитудой напряжения σa = maх σmin) /2; средним напряжением цикла σm = maх + σmin) /2.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойства противостоять усталости – выносливостью (рис.7).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

  1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке;
  2. Разрушение начинается на поверхности локально;
  3. Разрушение протекает в несколько стадий и имеет характерное строение излома:
    • очаг зарождения трещины;
    • зону усталости. В это зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости.
    • зону долома.

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости: σmaх от числа циклов нагружения N. Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченного большого числа циклов. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости σR (R – коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле σ-1.

Испытание на выносливость

Ри.7 Испытание на выносливость

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

  • циклическую прочность – наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определённое время работы. Ограниченный предел выносливости;
  • циклическую долговечность – число циклов (часов), которое выдерживает материал до образования усталостной трещины или до усталостного разрушения при заданном напряжении.

Циклическая прочность и долговечность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряжённое состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной среды. (Отверстия, канавки, проточки, риски, поры, раковины, неметаллические включения и др.).

Дополнительные критерии выносливости:

  1. живучесть определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). При высокой живучести можно своевременно путём дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу.
  2. износостойкость свойство материала оказывать в определённых условиях трения сопротивление изнашиванию. Износ процесс постепенного разрушения поверхностных слоёв материала путём отделения его частиц под влиянием сил трения. Его определяют по изменению размеров, объёма или массы. Существует три периода износа:
    • начальный, период приработки;
    • период установившегося (нормального) износа;
    • период катастрофического износа. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может катастрофически быстро разрушаться в других.

Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки.

  • ползучесть определяется скоростью развития пластической деформации материала при постоянном напряжении и при высоких температурах.

Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

  1. критерии прочности σв, σ0,2, σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;
  2. модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. её жёсткость;
  3. пластичность δ, ψ, ударная вязкость КСТ, КСV, КСU, вязкость разрушения К, температурный порог хладноломкости Т50, которые оценивают надёжность материала при эксплуатации;
  4. циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

 2. Методы повышения конструкционной прочности

  1. Технологические.
  2. Металлургические.
  3. Конструкторские.

Технологические. Цель – повышение прочности материала. Методами: легирования, пластической деформации, термической, термомеханической и химико-термической обработки. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов:

  • увеличение плотности дислокаций. Чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому деформированию;
  • создание дислокационных барьеров в виде границ зёрен, субзёрен, дисперсных частиц вторичных фаз. Важная особенность этого фактора упрочнения состоит в том, что измельчение зёрен (увеличение протяжённости их границ) сопровождается повышением ударной вязкости. Сильное торможение дислокаций создают дисперсные частицы вторичной фазы.
  • образование полей упругих напряжений искажающих кристаллическую решётку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов – вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих элементов. Образования атмосфер Коттрелла атомами внедрения.

Вместе с тем повышение прочности, основанное на уменьшении подвижности дислокаций, сопровождается уменьшением пластичности, вязкости и тем самым надёжности.

Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т. е. надёжность материала.

Например, в углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском можно получить при содержании 0,4%С ϬB ~ 2400МПа, при 0,6%С ϬB ~ 2800МПа. Однако при такой прочности стали хрупки (КСТ ~ 0), эксплуатационно не надёжны.

Рациональное легирование предусматривает введение в сталь и сплавы нескольких элементов при невысокой концентрации каждого с тем, чтобы повысить пластичность и вязкость. Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой, особенно при использовании высокоскоростных способов нагрева – индукционного и лазерного.

Для повышения циклической прочности и износостойкости важно затруднить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, ХТО, поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами).

Металлургические. Цель – повышение чистоты металла и сплава, т.е. удаление вредных примесей: серы, фосфора, газообразных элементов (кислорода, водорода, азота и зависящих от содержания неметаллических включений).

Методы переплава: вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумно-индукционную плавку (ВИ), рафинирование синтетическим шлаком.

Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряжённых деталей. При их проектировании избегают – резких перепадов жёсткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Если этого избежать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *