29. Усталость металлов. Особенности усталостного разрушения. Предел усталости( выносливости). Способы повышения усталостной прочности.

К динамическим нагрузкам, несмотря на отсутствие значительных инерционных сил, можно отнести периодические многократно повторяющиеся (циклические) нагрузки, действующие на элементы конструкции. Такого рода нагружения характерны для большинства машинострои- тельных конструкций, таких, как оси, валы, штоки, пружины, шатуны и т. д. Как показывает практика, нагрузки, циклически изменяющиеся во времени по величине или по величине и по знаку, могут привести к разрушению конструкции при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести (или предел прочности). Такое разрушение принято называть «уст а л о с т н ы м ». Материал как бы «устает » под действием многократных периодических нагрузок. Усталостное разрушение – разрушение материала под действием повторно- переменных напряжений. Усталость материала – постепенное накопление повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин в материале и разрушению. Выносливость – способность материала сопротивляться усталостному раз- рушению. Физические причины усталостного разрушения материалов достаточно сложны и еще не до конца изучены. Одной из основных причин усталостного разрушения принято считать образование и развитие трещин. Механизм усталостного разрушения во многом связан с неоднородностью реальной структуры материалов (различие размеров, очертаний, ориентации соседних зерен м талла; наличие различных включений – шлаков, приме- сей; дефекты кристаллической решетки, дефекты повер ности материала – царапины, коррозия и т. д.). В связи с указанной неоднородностью при переменных напряжениях на границах отдельных включений и вблизи микроскопических пустот и различных дефектов возникает конце трация напряжений, которая приводит: к микропластическим деформациям сдвига некоторых зерен металла (при этом на поверхности зерен могут появляться полосы скольжения) и накоплению сдвигов (кото- 57 рое на некоторых материалах проявляется в виде микроскопических бугор- ков и впадинок – экструзий и интрузий); затем происходит развитие сдвигов в микротрещины, их рост и слияние; на последнем этапе появляется одна или несколько макротрещин, которая достаточно интенсивно развивается (растет). Края трещины под действием переменной нагрузки притираются друг об друга, и поэтому зона роста трещины отличается гладкой (полированной) поверхностью. По мере роста трещины поперечное сечение детали все больше ослабляется, и наконец происходит внезапное хрупкое разрушение детали, при этом з о н а хрупкого дол о м а имеет грубозернистую кристаллическую структуру (как при хрупком раз- рушении).

Пути повышения предела выносливости:

Поверхностное упрочнение детали и образование при этом на поверхности сжимающих остаточных напряжений способствуют повышению предела выносливости. Этого можно добиться;

а) поверхностной закалкой ТВЧ;

б) химико-термической обработкой (цементацией, азотировани­ем);

в) дробеструйной обработкой (поверхностный наклёп).

30. Алюминевые сплавы литейные и деформируемые. Особенности термической обработки деформируемых сплавов.

Деформируемые сплавы, неупрочняемые термической обработкой

Основные легирующие элементы: магний, марганец.

Обозначение: АМг (сплав Аl – Mg); АМц (сплав Аl – Mn).

Свойства: невысокая прочность, хорошая пластичность и коррозионная стойкость.

Используются в отожженном состоянии, либо упрочняются деформацией, нагартовкой.

Эти сплавы хорошо обрабатываются и свариваются.

Относятся сплавы системы алюминий – медь (магний). Наиболее известные сплавы этой группы – дюралюмины.

Обозначение: Д1; Д16.

Термическая обработка для дюралюминов заключается в закалке и последующем старении.

Закалка проводится с температуры 500°С, в воде. После закалки структура сплавов: пересыщенный твердый раствор меди в алюминии. В закаленном состоянии сплавы имеют невысокую прочность при сохранении пластичности. Закаленные детали можно подвергать технологическим операциям.

После закалки с целью упрочнения проводится старение:естественное(при комнатной температуре) или искусственное (при температуре 150-250°С).

Старение – процесс распада пересыщенного твердого раствора легирующих элементов в металлической матрице с образованием дисперсных частиц интерметаллидных соединений с целью упрочнения сплавов.

Процесс старения включает несколько стадий:

1 стадия – образование зон Гинье-Престона ГП-1(образование прослоек повышенной концентрации меди размером 4 – 10 нм в растворе меди в алюминии);

2 стадия – рост зон Гинье-Престона (100нм) и образование зон ГП-2. При этом повышается прочность сплава;

3 стадия – образование самостоятельной тета - фазы Θ (CuAl₂) и дальнейший ее рост при увеличении температуры искусственного старения.

Естественное старение заканчивается образованием зон ГП-1 и ГП-2.

Искусственное старение заканчивается образованием Θ – фазы.

Структура сплавов после закалки и естественного старения – твердый раствор + зоны ГП.

Структура сплавов после закалки и искусственного старения – твердый раствор + Θ-фаза.

После термической обработки дюрали значительно упрочняются, причем эффект максимального упрочнения достигается после закалки и естественного старения. Кроме того, в дюралях увеличивается стойкость к усталостным и хрупким разрушениям.

Дюрали используют в самолетостроении, в пищевой, химической промышленности, для корпусов катеров, яхт.

Для повышения коррозионной стойкости дюрали плакируют. (поверхность листов из дюрали покрывают чистым алюминием и прокатывают).

В последнее время для снижения полетной массы в ракетной технике и самолетостроении используют легирование литием. Создаются сплавы системы Al – Mg – Li и Al – Cu – Li.

Литейные алюминиевые сплавы .

Используют для изготовления готовых литых деталей.

Литейные сплавы алюминия обозначаются: АЛ2; АЛ9; АЛ13; АЛ14 и т.д., где А – алюминиевый сплав, Л – литейный сплав, число – условный номер сплава.

Основные легирующие элементы: кремний (система Al – Si, силумины), магний, цинк, медь.