11.2. Конструкционная прочность материала и методы ее оценки

Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, жесткости, надежности и долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках – временное сопротивление σ_В, предел текучести σ_0,2 , твердость НВ (для сталей σ_В=НВ/3). При циклических нагрузках - σ_R – предел выносливости. По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения.

Но увеличение уровня прочности (и рабочих напряжений) ведет к увеличению упругих деформаций:

ε_упр=σ/Е,

где Е – модуль нормальной упругости.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерий жесткости обуславливает размеры станин, станков и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Для пружин и других упругих элементов приборов от материала требуется высокий предел упругости σ_упр и низкий модуль упругости Е (равный тангенсу угла наклона.

Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации.

Кроме стандартных механических характеристик σ_В и σ_0,2 для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности (σ_В, σ_0,2, Е) при рабочих температурах и в рабочих средах.

Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению.

Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно протекает при напряжениях ниже расчетных и считается наиболее опасным. Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (δ,ψ) и ударной вязкостью (КСU).

В условиях эксплуатации на материалы действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. Это – концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров детали (масштабный фактор).

В условиях эксплуатации необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость – это группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Трещины являются острыми концентраторами напряжений. Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее ее вершина.

Хрупкие материалы чрезвычайно чувствительны к надрезам. Для высокопрочных пластичных материалов реальную опасность представляют не все трещины, а только критической длины l_крит.

Оценку надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта проводят по критерию К – коэффициенту интенсивности напряжения в вершине трещины. Критерий К при достижении критического значения, когда стабильная трещина переходит в нестабильную обозначают К_1С:

К_1С=σ_ср√απl_Крит,

Где α – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины, σ_ср- среднее напряжение.

К_1С определяется экспериментально и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины. По этой причине критерий К_1С называют вязкостью разрушения.

Чем значение К_1С больше, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и его надежность.

Для оценки надежности материала используют также КСV – ударную вязкость, или КСТ – ударную вязкость на образце с усталостной трещиной; температурный порог хладноломкости t₅₀. Чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем выше гарантия от хрупкого разрушения.

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса).

Причины постепенного разрушения – изнашивание, ползучесть, коррозия, радиационное разбухание и др.

Циклическая долговечность – характеризует сопротивление материала разрушению поверхности путем отделения его частиц под воздействием силы трения. Циклическая долговечность равна величине, обратной скорости изнашивания.

Скорость ползучести – скорость развития пластической деформации при постоянном (ниже предела текучести) напряжении.

Ограничение скорости ползучести достигается применением жаропрочных материалов.

Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

1. Критерии прочности σ_В, σ_0,2, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей.

2. Модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. жесткость.

3. Пластичность δ, ψ, ударная вязкость КСТ, KCV, KCU, вязкость разрушения К_1С, порог хладноломкости t₅₀, которые оценивают надежность материала в эксплуатации.

4. Циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.