Эксплуатационная надежность

Надежность – способность материала сопротивляться внезапному разрушению, возникающему, как правило, за счет быстрого развития трещин. Такие разрушения в процессе эксплуатации чаще всего возникают при ударных нагрузках и низких температурах. Это особенно актуально для высокопрочных материалов, имеющих недостаточную пластичность.

Считается, что материал находится в хрупком состоянии, если значение KCU < 0,2 МДж/м² (20 Дж/см²).

Величина K_1C используется при расчете допустимой длины трещины или рабочих напряжений для упрочненных конструкционных материалов: алюминиевых сплавов, если σ_E > 450 МПа, титановых сплавов, если σ_E > 800 МПа, сталей, если σ_E > 1200 МПа (см. Прочность).

Алюминиевые, медные, никелевые и аустенитные сплавы, имеющие ГЦК решетку, могут эксплуатироваться до температур -196 ÷ -269°C. Особое положение занимают титановые сплавы с ГПУ решеткой, эксплуатируемые до температуры -253°C, пластичность которых объясняется невысоким напряжением двойникования титана. Стали с ОЦК решеткой углеродистые обыкновенного качества надежно работают только до -20°C, качественные до -30°C, содержащие 6% Ni до -100°C.

Примеры материалов высокой надежности и хладостойкости

1. Аустенитная сталь 12Х18Н10Т после закалки, переводящей примеси в твердый раствор.

2. Сталь 0Н9 после закалки и высокого отпуска, формирующей структуру мелкозернистого феррита.

3. Титановый сплав ВТ5-1 после отжига с однофазной структурой α-Ti, где присутствующие олово уменьшают охрупчивающее действие основного легирующего элемента ? алюминия.

Прочность

Прочность – способность материала сопротивляться пластическому, то есть необратимому деформированию и разрушению.

В реальных твердых телах, особенно металлах, прочностные свойства во многом определяются, как и в случае пластичности, концентрацией и подвижностью дислокаций. Если подвижность дислокаций отсутствует и нет других механизмов пластической деформации, то, как известно, происходит хрупкое разрушение, начинающееся вблизи концентраторов напряжений, к которым в первую очередь относятся трещины.

Дислокации при своем движении, реализующем пластическую деформацию, испытывают торможение следующими дефектами:

• другими дислокациями,

• примесными атомами, образующими вокруг них скопления,

• частицами твердых вторичных фаз, границами зерен и двойников.

Основное упрочнение в процессе деформирования объясняется увеличением плотности дислокаций, образующихся в процессе деформации. Значительную роль в торможении дислокаций играют дальнодействующие поля напряжений, вызванные упругими искажениями решетки вблизи когерентных границ и скоплений дислокаций.

Важнейшей предпосылкой получения для металлов высокопрочного и одновременно нехрупкого состояния для сравнительно низких температур (<0,3Tпл) является создание однородной, мелкозернистой и высокодисперсной структуры, где дислокации не закреплены около непреодолимых препятствий, а имеют возможность перемещения, но при больших напряжениях.

Основные способы повышения прочности

Высокой прочности при сохранении вязкости добиваются путем деформационного упрочнения, легирования и термической обработки.

Для чистых металлов и многих однофазных твердых растворов единственным методом упрочнения является холодная пластическая деформация. При этом, применяя пластическую деформацию и последующий нагрев, вызывающий начальную рекристаллизацию, нужно добиться однородной, мелкозернистой структуры, а внутри зерен – так называемой ячеистой дислокационной структуры. Такая структура обеспечивает равнопрочное состояние во всем объеме материала, отличающееся высокой прочностью и достаточным запасом пластичности. Этому способствуют препятствия в виде границ ячеек, проницаемых для движения дислокаций.

Важным фактором в рациональном упрочнении является размер зерен, так как в крупных зернах возможно появление плоских скоплений из большого количества дислокаций, увеличивающих напряжение у границы зерна до значения σ = σ₀ · n, где n – число дислокаций (рис.). За счет этого на границе возникает трещина, особенно если в соседнем зерне отсутствует благоприятно ориентированная для деформации система скольжения. Поэтому важно, чтобы структура материала была мелкозернистой и равнозернистой.

Упрочнение при легировании подразумевает введение в состав материала кроме основного компонента элементов, позволяющих создать торможение дислокаций за счет:

• системы упрочняющих частиц с наиболее эффективными параметрами,

• размещение атомов примесей вокруг дислокаций и на их пути,

• предотвращения роста зерен закреплением их тугоплавкими частицами,

• увеличения расщепления дислокаций, затрудняющего прохождение ими препятствий.

Другой путь получения высокопрочного состояния материалов заключается в использовании высокопрочных малодефектных коротких кристаллов (усов) или волокон, имеющих прочность близкую к теоретической. Однако, непосредственно из них (из-за малости размеров) невозможно изготовить даже небольшие детали. Поэтому чаще всего они входят в состав композиционных материалов в качестве упрочняющего компонента. Такие композиционные материалы обладают высокой прочностью в направлениях ориентации усов или волокон, в зависимости от назначения, имеют ряд дополнительных улучшенных служебных свойств: низкую или высокую плотность, заданное значение модуля нормальной упругости, высокую демпфирующую способность и другие.