1. Прочность.

При статической нагрузке в качестве критериев прочности используют стандартные характеристики механических свойств: временное сопротивление разрыву , предел текучести , условный предел текучести . При работе большинства машиностроительных деталей пластическая деформация недопустима. Следовательно, в качестве основной расчетной характеристики используют предел текучести . Его значение определяет допускаемые рабочие напряжения детали, её несущую способность, и, как следствие, размер рабочего сечения, что, в конечном счете, пересчитывается на массу детали.

Допускаемые рабочие напряжения:

где П=1,5…3 – коэффициент безопасности (запаса).

Для малопластичных материалов (относительное удлинение до 5 %) значение , поэтому в расчетах используют значение временного сопротивления разрыву.

При статической нагрузке и нагреве выше 0,3Т_пл используют показатели жаропрочности.

Жаропрочность – свойство материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах в течении определенного времени.

При повышенных температурах заметно ослабляются силы межатомного взаимодействия, что служит причиной снижения характеристик прочности, облегчения пластической деформации и возможном проявлении ползучести.

Ползучесть – процесс медленного и непрерывного нарастания остаточной деформации при постоянной температуре и постоянном напряжении, меньшем предела текучести.

Традиционно для определения ползучести строят кривые ползучести.

Скорость ползучести:

где – деформация (ось ординат);

– время (ось абсцисс);

– угол наклона кривой.

При нагреве разрушающие напряжения зависят не только от температуры, но и от времени действия нагрузки; чем выше температура и продолжительность действия нагрузки, тем ниже напряжения, необходимые для разрушения. С учетом фактора времени прочность при высоких температурах называют длительной прочностью.

Таким образом, фактор времени входит в 2 критерия жаропрочности:

1. Предел ползучести – наибольшее напряжение, под действием которого при температуре t за время остаточная деформация не превышает допустимое значение . Обозначается .

2. Предел длительной прочности – напряжение, которое при постоянной температуре t доводит металл до полного разрушения за заданный промежуток времени . Обозначается .

Показатели ползучести определяют на специальных установках, которые позволяют при заданных t и измерить деформацию ползучести . Испытания на ползучесть проводят, как правило, при t=(0,4-0,7) t_пл. При этих температурах наблюдается медленная высокотемпературная ползучесть.

С огласно ГОСТ 3248-81, на ползучесть испытывают растяжением несколько образцов при заданной температуре t и различных уровнях напряжения . Длительность испытаний составляет 50-100 000 ч. В процессе испытания строится кривая ползучести.

Испытания на длительную прочность выполняются на тех же машинах, что и испытания на ползучесть, но с доведением образцов до разрушения.

При длительных знакопеременных нагрузках используют критерий циклической прочности.

Х арактеристики циклов:

– минимальное напряжение цикла;

– максимальное напряжение цикла;

– среднее напряж. цикла;

– коэффициент асимметрии;

если R = -1, цикл симметричный (синусоидальный).

Критерием циклической прочности выступает предел выносливости ; при симметричном цикле обозначается . Предел выносливости определяется по кривой усталости.

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений под действием циклической нагрузки, приводящий к уменьшению срока службы.

Для оценки сопротивления усталости испытывают серию образцов (10-15 шт.) при разных нагружениях N. В результате испытаний получают диаграмму усталости, представляющую собой зависимость напряжения от числа циклов нагружения N (в логарифмической оси, т.к. число циклов нагружения очень большое).

Диаграмма усталости:

1 – для материалов, имеющих физический предел выносливости;

2 – не имеющих.

При испытаниях на усталость чем выше максимальное напряжение , тем меньше число повторных нагружений N до разрушения образца, т.е. тем меньше его выносливость. При снижении напряжения кривая усталости в большинстве случаев переходит в горизонтальное положение. Следовательно, существует некоторое напряжение – предел выносливости, ниже которого образец может выдерживать неограниченное число циклов нагружения.

Переход кривой усталости в горизонтальное положение наблюдается при числе циклов N=(2…10)*10⁵ и свойственен сталям и некоторым цветным сплавам. Для многих цветных металлов и сплавов такой переход не наблюдается, а кривая усталости монотонно снижается. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости – наибольшее напряжение , которое материал выдерживает, не разрушаясь в течение заданного числа циклов или базы испытания. База испытания составляет 10⁸ циклов. Если кривая усталости переходит в горизонтальное положение, то база испытания составляет не более 10⁷ циклов.

Циклические испытания материалов на усталость можно осуществлять при различных видах нагружения. Наиболее часто выполняют в условиях изгиба образца в одной плоскости или изгиба вращающегося образца при симметричном цикле нагружения (как на картинке).

Схема испытания на круговой изгиб консольно закреплённого образца.

Н аибольшее повторно-переменное нагружение в сечении а-а:

где P – вертикальная нагрузка;

l и d – плечо и диаметр сечения образца;

W – момент сопротивления изгибу сечения образца.

Кроме стандартных механических характеристик, описывающих металлургическое и технологическое качество материала, для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.

Работа при низких температурах.

Влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению оценивают по порогу хладноломкости t₅₀ – температура, при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой (вязкой) составляющей излома. Его определяют по результатам испытания образцов с надрезом на удар при пониженной температуре. Порог хладноломкости характеризует влияние трех охрупчивающих факторов:

1. Надрез (концентратор напряжений).

2. Ударное напряжение.

3. Низких температур.

О пригодности материала к работе при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температур эксплуатации и порога хладноломкости. При этом чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и меньше вероятность хрупкого разрушения.

Окручивающие факторы:

- надрезы (концентраторы);

- динамическая и ударная нагрузка;

- понижение температуры;

- масштабный фактор.

Работа при высоких температурах.

Экспериментально установлено, что при деформировании чистых металлов с превышением температуры испытания от комнатной до температуры плавления характеристики прочности снижаются, а характеристики пластичности повышаются, что обусловлено облегчением движения дислокаций. Однако для некоторых чистых металлов в некоторых темпратурных интервалах наблюдаются аномалия (например, армко-железо при 200^оC), т.е. повышение прочности при понижении пластичности при нагреве. Такое свойство называется синеломкостью.

Работа в агрессивных средах.

Среда, в которой работает материал (жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная) оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на комплекс свойств, снижая работоспособность.

Рабочая среда может вызвать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления, образования окалины (удаление окалины – пескоструйная, дробеструйная обработка), а также изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом – охрупчивание). Кроме того, возможны разбухания и местные разрушения материалов под действием облучений. Для того чтобы противостоять рабочей среде, материал должен обладать не только комплексом механических свойств, но и определенными физико-химическими свойствами:

- стойкостью к электрохимической коррозии;

- радиационной стойкостью;

- влагостойкостью;

- способностью работать в условиях вакуума и т.д.