Статическая прочность

Способность материала деталей сопротивляться пластическому деформированию в условиях действия постоянных или медленноменяющихся нагрузок (при T < 0,3Tпл) или кратковременно действующих нагрузок (при T > 0,3Tпл) рассматривается как статическая прочность.

В соответствии с этом производится расчет на статическую прочность, при котором устанавливается максимально допустимое напряжение [ σ ], возникающее в материале под действием рабочей нагрузки P_р и не вызывающее значительной пластической деформации или разрушения. Поэтому величина [ σ ] должна быть меньше предела текучести σ_0,2 и предела прочности σ в материала.

В случае растяжения или сжатия

[ σ ] = P_р / S < σ_0,2 < σ_в

В связи с тем, что не всегда точно известно напряженное состояние во всех микрообъемах детали и количественные характеристики прочности имеют некоторый разброс, вводится коэффициент запаса прочности – n. С учетом n выбор материала производится:

•  для пластичных материалов по пределу текучести σ_0,2

σ_0,2 = n_т·[ σ ];

•  для материалов с пониженной пластичностью по пределу прочности σ_в

σ_в = n_в·[ σ ].

Важно отметить, что в первом случае возможно использование небольших коэффициентов запаса по пределу текучести n_т ~ 1,5, так как пластичные материалы мало чувствительны к присутствию в деталях концентраторов напряжений (отверстий, трещин, надрезов, структурных особенностей материала и других), действие которых ослабляется за счет развития вблизи концентраторов микропластической деформации. Поэтому пластичные материалы имеют малый разброс характеристик прочности. При этом считается достаточно высокой пластичность материала соответствующая δ ≥ 15%

Во втором случае за счет концентраторов напряжения возможно значительное локальное увеличение действующего напряжения даже при небольших рабочих нагрузках, поэтому малопластичные материалы имеют больший разброс характеристик и средний коэффициент запаса по пределу прочности n_в ~ 2,4.

При расчете допустимых контактных напряжений коэффициент запаса n_k = 1,1÷1,3, так как материал в данном случае работает в условиях всестороннего сжатия.

Циклическая прочность

Действие переменных нагрузок способствует возможному разрушению материала за счет возникновения усталостных явлений, появление и развитие которых определяет выносливость материала.

Под выносливостью понимают способность материала сопротивляться развитию усталостных явлений - зарождению и росту усталостных трещин при действии переменных (циклических) нагрузок.

При действии переменных нагрузок в поверхностных слоях детали зарождается усталостная трещина в местах:

• слишком сильного упрочнения или малой прочности,

• находящихся под влиянием остаточных напряжений растяжения,

• вблизи концентраторов напряжения,

• локального коррозионного разрушения,

С течением времени происходит скачкообразный рост трещины, пока она не достигнет критического размера, после чего наступает быстрое разрушение (стадия долома).

Так как на этапе зарождения трещины вблизи концентраторов напряжения возникает только местная микропластическая деформация, то напряжение зарождения и развития усталостной трещины оказывается меньше предела текучести материала, который соответствует началу макропластической деформации.

Характеристики выносливости определяются по результатам испытаний на усталость, где образец подвергается действию переменных напряжений в асимметричном (R ≠ -1) или в симметричном цикле (R = -1), где R = - σ_min/σ_max. На кривой зависимости логарифма максимального напряжения в симметричном цикле (σ_max), от логарифма числа циклов N до разрушения различают следующие участки: наклонный участок 1 в области больших напряжениях (σ_K), соответствующих небольшому количеству циклов до разрушения (N_K) и, в случае сталей (кривая I), горизонтальный участок 2, соответствующий напряжению (σ_R, σ_-1), при котором не наступает разрушение за заданное число циклов (≥ 10⁷). Напряжение σ_K является ограниченным пределом выносливости, а σ_R, σ_-1, физическим пределом выносливости.

В случае цветных сплавов (кривая II) участок 2 является наклонным, то есть не существует σ_R, σ_-1, но можно определить σ_K.

По кривым усталости оценивается:

• циклическая прочность в виде предела выносливости σ_K, σ_R, σ_-1 при заданном числе циклов,

• циклическая долговечность – число циклов до разрушения N_K при заданном σ.

Увеличение выносливости при переменных нагрузках обеспечивается:

1. борьбой с зарождением трещин за счет:

• создания в поверхностном слое упрочненной структуры пластическим деформированием или термической и химико-термической обработкой, при этом должны образоваться остаточные напряжения сжатия, препятствующие зарождению и раскрытию трещин,

• предотвращением развития коррозии, особенно локальной (язвенной, межкристаллитной), где возникает концентратор напряжении, а также при пластических сдвигах, когда окисленные слои попадают внутрь поверхностного слоя,

• повышением качества поверхности при механической обработке детали.

• борьбой с развитием трещин в объеме детали, которая заключается в повышении прочности за счет легирования атомами замещения, так как при этом сохраняется достаточная пластичность, способствующая увеличению радиуса трещин,

Во всех случаях важно придание материалу детали при упрочнении однородной высокодисперсной структуры и минимальной вероятности появления концентраторов напряжений.

Еще один путь увеличения сопротивления разрушению при переменных нагрузках заключается в использовании композиционных материалов, в которых при оптимальной адгезии волокна и матрицы развитие трещины в поперечном сечении образца приостанавливается на границе с волокном, так как трещина начинает расти вдоль волокна, не уменьшая сечения. К тому же в композитах характерно значительное внутреннее трение (например, за счет проскальзывания волокон), поглощающее часть энергии деформирования.

При использовании конструкционных сталей между характеристиками статической и циклической прочности учитывают следующая связь:

• σ_-1 ~ 0,7 σ_0,2

• σ_-1 ~ 0,25÷0,6 σ_в,

• коэффициент запаса n_-1 = 1,5÷2,5, то есть относительно небольшой, так как отдельные перегрузки в цикле не скажутся на работоспособности.

• вязкость разрушения при циклических и статических нагружениях примерно равны между собой K_1C^ц ~ K_1C.

Для конструкционных сталей чаще всего используется структура повышенной прочности и достаточной пластичности - сорбит (дисперсная смесь феррита и цементита). В такой структуре зарождение трещины на поверхности деталей происходит легко, но скорость роста трещины мала, так как многочисленные барьеры в виде границ зерен или частиц карбидов мешают прямолинейному росту трещин, а пластическая деформация способствует их затуплению. При этом допускаются рабочие напряжения больше σ_-1 , если трещину можно заметить до момента разрушения.

Для пружинных сталей характерна более прочная структура троостита, где важно бороться с возникновением трещин, так как троостит обладает пониженной пластичностью и зародившаяся трещина будет быстро расти. Поэтому поверхность таких сталей подвергается упрочнению с созданием напряжений сжатия и необходимо добиваться отсутствия концентраторов напряжений.