Коэффициент вязкости разрушения различных материалов

Материал	К1с , МПа м1/2
Конструкционные стали	33 – 300
Высокопрочные чугуны	30 – 75
Титановые сплавы	28 – 115
Алюминиевые сплавы	17 – 48
Технические керамики	3 – 25
Полимерные материалы	0,5 – 2,8

Возможности «управления» статической трещиностойкостью наиболее широки у конструкционных сталей, о чем и свидетельствуют наиболее высокие значения К_1с.

Повышение характеристик надежности сталей достигается при учете всех факторов, которые помогают реализации высокой прочности материала в конструкции. К таким факторам относятся конструктивный, масштабный, металлургический, технологический, металловедческий (связанный с химическим составом и структурой) и эксплуатационный:

а) конструктивный – при проектировании деталей предусматривают максимальное сглаживание всех переходов, уменьшение остроты концентраторов напряжений;

б) масштабный– при проектировании (при возможности) уменьшают габариты деталей, потому что для крупных деталейК_1си многие прочностные характеристики имеют пониженные значения. Кроме того, в крупных деталях возрастает вероятность наличия трещин большого размера;

в) химический – специальное легирование; например, стали легируют никелем (для повышения пластичности), кремнием (для повышения температуры отпуска и полного снятия остаточных напряжений);

г) металлургический – стали выплавляют особовысококачественными, т.е. содержащими минимум серы, фосфора, газов, а также неметаллических включений. Для устранения вредных примесей применяют переплавы – электрошлаковый (ЭШП), вакуумно-дуговой (ВДП) и электронно-лучевой (ЭЛП); алюминиевые сплавы выплавляют нескольких категорий качества – повышенной чистоты (пч) и особовысокочистые (оч) – по содержанию железа и кремния;

д) структурный – в сталях обеспечивают получение мелкого зерна (для эффективного торможения распространения трещин на границах зерен); в алюминиевых сплавах применяют термообработку по режиму перестаривания (для некоторого увеличения размеров частиц упрочняющих фаз);

е) технологический – при механической обработке регламентируют последовательность переходов, количество проходов при токарной обработке, чистоту поверхности, направление рисок по отношению к приложенным напряжениям;

ж) эксплуатационный – для избежания насыщения водородом при контакте с водой применяют покрытия; для снижения растягивающих напряжений на поверхности применяют поверхностное пластическое деформирование (ППД) – создание напряжений сжатия путем вибронаклепа, дробе- и пескоструйной обработки, обкатки роликами, алмазного выглаживания.

2.8.5. Износостойкость

Износостойкие стали и сплавы необходимы для изготовления деталей машин и механизмов, работающих в условиях изнашивания: пары трения, червячные пары, подшипники скольжения, ковши экскаваторов, железнодорожные стрелки, гребные винты судовых моторов и т.п.

Изнашивание – процесс постепенной повреждаемости поверхности детали, которая работает в постоянном или периодическом контакте под нагрузкой с другой деталью (или в контакте с рабочей средой). Виды внешнего воздействия подразделяют на трение, абразивный износ, ударный износ, кавитационный износ, эрозию и др.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в условиях трения. Изнашивание – процесс постепенной повреждаемости поверхности детали, которая работает в постоянном или периодическом контакте под нагрузкой с другой деталью (или в контакте с рабочей средой). Износ выражается в потере веса, в изменении формы, размеров и состояния поверхности детали.

Работоспособность деталей в условиях изнашивания зависит от ряда внешних и внутренних факторов.

Различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное (ГОСТ 27574-88). Механическое изнашивание имеет ряд разновидностей, которые, в свою очередь, могут быть разделены на две группы по признаку того объекта, под влиянием которого происходит процесс изнашивания, – на изнашивание в парах трения и на изнашивание в контакте с рабочей средой.

Износостойкость в парах трения. Условия работы деталей – это контакт под нагрузкой, в результате чего между деталями возникает трение.

В машиностроительных конструкциях и механизмах в условиях трения работают многочисленные детали, такие как втулки, кулачки, червяки, пальцы поршней, фрикционные диски и другие детали.

При трении происходит несколько структурных процессов: многократная деформация в поверхностных слоях, приводящая к упрочнению; выделение тепла и последующее разупрочнение; окисление.

Деформационное взаимодействие при трении является следствием многократного деформирования микрообъемов одной детали неровностями на поверхности другой детали. Деформационное взаимодействие в парах трения может быть трех видов: упругое, пластическое, срез и скалывание. Два последних вида взаимодействия недопустимы при работе деталей.

Для исключения пластической деформации и обеспечения только упругого контактирования пар трения необходимо обеспечить высокий модуль упругости, максимально упрочнить поверхность материала и повысить чистоту поверхности. Таким образом, деформационная составляющая трения обратно пропорциональна твердости и модулю упругости материала и пропорциональна шероховатости поверхности:

F_деф = f (шероховатость поверхности / HRC^пов, E).

Шероховатость поверхности обеспечивается технологией механиче- ской обработки.

Модуль упругости обеспечивается выбором материала (сталь, алюминий или другой металл). В сталях высокий модуль упругости определяется металлом - основой – железом (Е = 210 ГПа).

Повысить износостойкость сталей, предназначенных для деталей, работающих в парах трения, возможно несколькими способами (за счет нескольких факторов управления составом и структурой сталей):

– за счет термической обработки: проведения закалки и низкого отпуска с получением мартенсита отпуска;

– за счет химико - термической обработки: применения цементации для увеличения количества цементита в поверхностном слое;

– за счет поверхностной закалки;

– за счет изменения химического состава: применения сталей с повы­шенным содержанием углерода, а следовательно, с большим содержанием цементита; применения высоколегированных сталей с более твердыми карбидами, чем цементит.

Цементуемые стали для пар трения подразделяются по степени упрочнения сердцевины. При одной и той же твердости цементованного слоя работоспособность деталей повышается по мере увеличения твердости сердцевины.