15.Конструкционная прочность материалов. Надежность. Долговечность.

В результате испытаний получают характеристики:

1) силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, предел выносливости);

2) деформационные (относительное удлинение, относительное сужение);

3) энергетические (ударная вязкость).

Все они характеризуют общую прочность материала независимо от назначения, конструкции и условий эксплуатации. Высокое качество детали может быть достигнуто только при учете всех особенностей, которые имеют место в процессе работы детали, и которые определяют ее конструкционную прочность.

Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации.

На конструкционную прочность влияют следующие факторы:

1) конструкционные особенности детали (форма и размеры);

2) механизмы различных видов разрушения детали;

3) состояние материала в поверхностном слое детали;

4) процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе.

Необходимым условием создания качественных конструкций при экономном использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность.

Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению.

Развитие хрупкого разрушения происходит при низких температурах, при наличии трещин, при повышенных остаточных напряжениях, а также при развитии усталостных процессов и коррозии.

Критериями, определяющими надежность, являются температурные пороги хладоломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость, характеристики пластичности, живучесть.

Долговечность – способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния.

Долговечность определяется усталостью металла, процессами износа, коррозии и другими, которые вызывают постепенное разрушение и не влекут аварийных последствий, то есть условиями работы.

Критериями, определяющими долговечность, являются усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность.

Общими принципами выбора критериев для оценки конструкционной прочности являются:

1) аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах и изделиях;

2) аналогия условий испытания образцов и условий эксплуатации (температура, среда, порядок нагружения; )

3) аналогия характера разрушения и вида излома в образце и изделии.

16.Превращения, происходящие в железе и стали при нагреве и охлаждении

При любой тем­пературе ниже 910° атомы в ячейках кристаллов распо­лагаются в виде куба, образуя так называемую кристал­лическую решетку альфа-железа. В этом кубе во­семь атомов расположены в углах решетки и один в центре. При нагреве свыше 910° происходит перегруппиров­ка атомов и кристаллическая решетка представляет со­бою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решет­ку с девятью атомами, носящую название дельта-желе­зо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами ато­мов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1). Перестройка кристаллической решетки при медлен­ном охлаждении происходит в обратном порядке: дель­та-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.  Критические точки превращения. в процессе перестройки одной ре­шетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении допол­нительного количества тепла при нагревании. Темпера­турные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются Аr при охлажде­нии и Ас при нагревании. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис. При нагревании и охлаждении стали происходит так­же перестройка атомной решетки, но температуры кри­тических точек не постоянны. Они зависят от содержа­ния углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.  С углеродом:

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – около 1539°C.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911°C и 1392°C. При температуре ниже 911°C существует с объемно-центрированной кубической решеткой.В интервале температур 911…1392°C устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392°C железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное .

Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911°C превращения обозначают точкой , а температуру 1392°C превращения – точкой .

При температуре ниже 768°C железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768°C обозначается . Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – МПа, предел текучести – МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – , а относительное сужение – ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.