bogodukhov_s_i_sinyukhin_a_v_kozik_e_s_kurs_materialovedeniy

Рис. 1. Кривые усталости для стали (1) и цветных металлов (2)

нию к, которое может выдержать материал в течение определен ного числа циклов (Nк). Кривые с горизонтальным участком харак терны для сталей при невысоких температурах испытаний. Отсут ствие горизонтального участка (существует лишь ограниченный предел выносливости) характерно для цветных металлов, для мате риалов, работающих при повышенных температурах или в корро зионных средах.

Отметим, что усталостное разрушение протекает при напря жениях, меньших, чем при статических нагрузках ( R в или

R 0,2).

Механизм усталостного разрушения определяет надежность и дол говечность материала.

6.2.КРИТЕРИИ НАДЕЖНОСТИ

Ккритериям надежности относят характеристики, обеспечиваю щие способность материалов противостоять внезапному отказу (хруп кому разрушению).

Все эксплуатационные отказы подразделяют на постепенные и внезапные. Постепенные отказы — это такие, при наступлении кото рых изделия могут быть заменены без аварийных последствий. К по степенным отказам относят различные виды износа, коррозионные и усталостные повреждения. Последние могут привести к внезапному разрушению, если своевременно не будет обнаружено, что усталост ная трещина достигает критических размеров. К внезапным отказам относят хрупкие разрушения, которые происходят при напряжениях, меньше расчетных.

Критерий К1с показывает, какой интенсивности достигает напря жение в вершине трещины в момент разрушения.

K1c ср lкр ,

где ср — среднее напряжение в материале, МПа;— безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию

трещины;

lкр — критическая длина трещины, превышение которой приведет

ксамопроизвольному разрушению, мм.

Зная коэффициент K 1с для данного материала, можно решить две задачи:

–определить допустимые рабочие напряжения с учетом возмож ных дефектов и трещин;

–определить критическую длину трещины, способной вызвать хрупкое разрушение при данном уровне среднего напряжения.

Чем больше значение K1с, тем лучше сопротивляется материал вяз кому развитию трещины, тем он надежнее.

Значения K1с, наряду с параметрами 0,2 и Е, учитывают при расчете деталей из высокопрочных материалов (сталей с в 1200 МПа, тита новых сплавов с в 800 МПа, алюминиевых сплавов с в 450 МПа).

Важнейшим параметром, характеризующим надежность материа ла, является живучесть при циклическом нагружении. Под живуче стью понимают способность материала работать в поврежденном со стоянии после образования усталостной трещины.

Высокая живучесть (малая скорость роста усталостной трещины) важна прежде всего для повышения вероятности обнаружения повреж денных деталей с усталостными трещинами на ранней стадии развития.

Распространение трещины в глубь материала изделия связано с тем, что у ее вершины исчерпывается запас пластичности. Поэтому у пластичных материалов сопротивление росту усталостной трещины выше, чем сопротивление ее зарождению, связанному с перемещени ем слабо закрепленных дислокаций в поверхностном слое. Увеличе ние сопротивления зарождению трещин усталости достигается по верхностным упрочнением, создающим условия, при которых движе ние дислокации затруднено.

Параметр KCT (ударная вязкость, определенная на образцах с тре щиной у сталости) характеризует работу распространения трещины при ударном изгибе. Чем выше этот параметр, тем надежнее материал

вэксплуатации. КСТ, наряду с K1с, учитывают при подборе материала для особо ответственных конструкций, например, летательных аппа ратов.

Коэффициент, учитывающий влияние конструктивных концен траторов напряжений (изменений сечений детали: отверстий, кана вок, проточек и т.д.):

K 1d / 1 д ,

где 1d — предел выносливости гладкого (без концентраторов напря жений) образца диаметром d, совпадающим с диаметром детали.

Коэффициент, учитывающий влияние качества обработки (шеро ховатости) поверхности

K F 1 / 1 ,

здесь 1 — предел выносливости образца с данной шероховатостью, а 1 — образца с полированной поверхностью.

При работе деталей в коррозионно активных средах в расчетах ко

эффициент K F заменяется на Ккор кор/ , где кор — предел выносливости образца в коррозионной среде.

Коэффициент, учитывающий влияние упрочнения поверхности детали (по верхностная закалка, химико термическая обработка, по верхностная пластическая деформация), может быть в оценочных расчетах определен по формуле

K v 11, 0,3( 1),

где max / H ( max — максимальное напряжение в зоне концен трации; Н — номинальное напряжение).

При оптимальных режимах упрочнения 3.

Чем больше значение K!, тем эффективнее упрочнение. Чем боль ше коэффициент концентрации напряжений K , тем более благотвор но влияет на прочность детали поверхностное упрочнение. С увели чением сечения детали коэффициент упрочнения K! уменьшается.

Сопротивление усталости натурных деталей (валов, осей, зубчатых ко лес, рам транспортных и грузоподъемных машин, сварных соединений и т.д.) в 2–6 раз ниже, чем сопротивление, определенное на образцах.

6.3. КРИТЕРИИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Долговечность — способность материала противостоять развитию постепенного разрушения или постепенного отказа, обеспечивая ра ботоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). По нятие долговечность учитывает вид эксплуатационного отказа изде лий: развития процессов усталости, ползучести, коррозии, радиаци онного повреждения, изнашивания и т.п.

296 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ

Долговечность большинства деталей машин определяется сопро тивлением материала усталостным повреждениям (циклической дол говечностью) или скоростью изнашивания (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует поведение материала при многократном циклическом нагружении детали. Она показывает число циклов или эксплуатационных часов, выдерживаемых материалом до об разования усталостной трещины определенной длины или до усталостно го разрушения при определенном напряжении. Долговечность может быть неограниченной при max R ( 1) и ограниченной при max 1.

Циклическая долговечность, как и неразрывно связанная с ней надежность, зависят от многих факторов, важнейшими среди кото рых являются структура и напряженное состояние поверхностного слоя (сжимающие напряжения препятствуют зарождению трещин ус талости и благотворно влияют на долговечность изделия, напряжения растяжения, наоборот, играют отрицательную роль). Снижают долго вечность и несущую способность деталей, как отмечалось ранее, кон центраторы напряжений.

Износостойкость — это свойство материала оказывать в опреде ленных условиях трения сопротивление изнашиванию [38]. При из нашивании материал постепенно разрушается путем отделения час тиц поверхностного слоя под действием сил трения. Результат изна шивания называют износом. Параметрами износа являются умень шение размера детали (линейный износ), уменьшение объема или массы (объемный или массовый износ соответственно).

Скорость изнашивания Vh характеризуется отношением величины износа ко времени:

Vh h / t,

где h — величина износа; t — время.

Интенсивность изнашивания Ih определяется как величина износа к пути трения:

I h h / S,

где S — путь трения.

Износостойкость оценивают величиной обратной скорости или интенсивности изнашивания.

Задача повышения износостойкости решается рациональным под бором пар трения с учетом условий их работы. Более подробно вопро сы подбора материалов, работающих в различных условиях изнаши вания, рассмотрены в курсе «Фрикционное материаловедение».

6.4. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ

Пути повышения конструкционной прочности деталей машин и механизмов связаны главным образом с рациональным подбором ма териалов (металлургические методы), конструированием и техноло гией их обработки [38].

Прочностные характеристики в, 0,2 реальных материалов опре деляются в основном их структурой, распределением и степенью под вижности дислокации.

Чем больше плотность дислокаций, тем эффективнее сопротивление их перемещению, тем выше сопротивление пластическому деформиро ванию материала. Интенсивно увеличивают плотность дислокаций уп рочняющая термическая обработка и пластическое деформирование ма териала. Однако увеличение плотности дислокаций свыше 1012 см 2 не целесообразно в связи с нарушением сплошности отдельных объемов (появление субмикроскопических трещин) и снижением прочности.

Торможению дислокаций способствуют границы зерен, дисперс ные частицы вторичных фаз. Измельчение зерна термической или термомеханической обработкой, создание дисперсных частиц вто ричных фаз путем термической обработки сплавов (закалка старе ние) ведет к интенсивному упрочнению материала.

Тормозят движение дислокаций также поля упругих искажений, возникающие вокруг точечных дефектов кристаллических структур (вакансии, примесные, главным образом, легирующие атомы). Чем выше концентрация легирующих атомов в твердом растворе, тем больше упрочнение сплава.

Комбинируя различные структурные факторы, можно значитель но повысить характеристики прочности материала ( в, 0,2, НВ, 1 ). Однако следует иметь в виду, что упрочнение, основанное на сниже нии подвижности дислокаций, ведет к снижению пластичности мате риала, а следовательно, к снижению надежности.

Повышение надежности и долговечности деталей достигается созда нием определенного структурного состояния материала, допускающего некоторую подвижность дислокаций, скапливающихся у барьеров, — полупроницаемых барьеров. Роль последних могут играть малоугловые границы субзерен. Формированию таких структур способствуют рацио нальное легирование, измельчения зерна, повышение металлургическо го качества материала. Под рациональным легированием следует пони мать минимально необходимое легирование несколькими элементами, способствующими повышению пластичности и вязкости сплава, напри мер, наличие в сплаве, наряду с хромом, никеля и марганца.

300 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ

Измельчение зерна достигается легированием и термической обра боткой. Наибольшая эффективность измельчения может быть получе на высокотемпературной термомеханической обработкой (ВТМО), ко торая обеспечивает наилучшее сочетание высокой прочности, пла стичности и вязкости.

Повышение металлургического качества материала предусматривает сплавы с минимальным количеством вредных охрупчивающих примесей.

Повышение циклической долговечности, а также износостойкости достигается, как отмечено ранее, технологическими методами поверх ностного упрочнения: поверхностным пластическим деформировани ем (обкаткой роликами, обдувкой дробью), химико термической обра боткой (цементацией, азотированием), поверхностной закалкой.

Конструктивные методы повышения прочности, надежности и дол говечно сти предусматривают обеспечение равнопрочности высокона пряженных деталей с минимумом концентраторов напряжений. Смяг чение концентрации напряжений в необходимых случаях достигается местным упрочнением, формирующим остаточные напряжения сжатия.

В табл. 2 приведены некоторые виды и причины разрушения сталь ных деталей машин, а также намечены пути предупреждения дефекта.

6.5 ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ПО КРИТЕРИЯМ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ1

Под конструкционной прочностью материала понимают совокуп ность его механических свойств, обеспечивающих надежную и дли тельную работу изготовленных из него деталей в данных условиях эксплуатации. Иначе говоря, конструктивная прочность характеризу ется показателями прочности, надежности и долговечности [9].

Рассмотрим примеры выбора материалов на основе расчетов на конструкти вную прочность. Для расчетов использована методика, изложенная в [9].

Использованные в расчетах критерии и формулы:

где 1 д — предел выносливости детали по нормальным напряжениям;

1 Рекомендуется предварительно повторить разделы: 1.2.4; 1.2.6; 1.2.7.