Выбор материалов по назначению с позиций их конструкционной прочности. Учебное пособие

Холодостойкость – способность материала сохранять пластич- ность и вязкость в области отрицательных температур.

Жаростойкость – способность материала сопротивляться окис- лению в газовой среде при высоких температурах (сопротивляться химической коррозии).

Жаропрочность – способность материала сохранять прочность при повышенных температурах.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротив- ляться воздействию кислотных и щелочных сред (сопротивляться электрохимической коррозии).

Износостойкость – способность материала сохранять размеры, форму, массу или состояние поверхности вследствие разрушения по- верхностного слоя при трении.

Усталостная прочность – способность материала сопротивлять- ся усталости. Усталость материала – процесс постепенного зарожде- ния и развития повреждений (трещин) в материале под воздействием многократно повторяющихся силовых воздействий на него.

Завершением 1 этапа будет установление конкретных эксплуата- ционных свойств материала, исходя из условий эксплуатации детали.

Этап 2

Исходя из конкретных эксплуатационных свойств, отвечающих условиям эксплуатации детали, анализируются механические и физи- ко-химические свойства материала.

Механические свойства

Прочность – способность материала сопротивляться разруше- нию и пластической деформации при внешнем воздействии.

В зависимости от характера приложения внешней нагрузки при эксплуатации детали основные показатели прочности материалов оп- ределяют по результатам статических и ударных механических испы- таний и испытаний с приложением циклических нагрузок в условиях многоосного и комбинированного нагружения. Основные виды меха- нических испытаний: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез.

11

При статическом нагружении это следующие параметры:

−предел прочности (временное сопротивление) σв, МПа. Предел прочности – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца при испытании;

−условный предел текучести σ0,2, МПа. Условный предел теку- чести – напряжение, при котором остаточная деформация образца при испытании составляет 0,2 %;

−физический предел текучести σт, МПа. Физический предел те- кучести – напряжение, при котором образец при испытании пласти- чески деформируется без заметного увеличения нагрузки на него;

−предел упругости σупр, МПа. Предел упругости – напряжение, при котором остаточная деформация достигает от 0,05 до 0,005 % от длины участка образца при испытании, равного базе тензометра. До- пуск на величину остаточной деформации при определении предела упругости оговаривается стандартами и техническими условиями.

Предпочтительный вид статических испытаний для определения основных показателей прочности материалов определяется природой самого материала и видом напряженно-деформированного состояния материала в условиях его эксплуатации. Так, например, для опреде- ления показателей прочности полимерных материалов для подшип- ников наиболее целесообразно использовать испытание на сжатие, а аналогичные показатели материалов для заклепок определять при ис- пытании на срез, а проволоки – на кручение.

Однако наибольшее распространение получили испытания на растяжение [2]. Испытание на растяжение является наиболее универ- сальным видом механических испытаний по сравнению с другими видами испытаний, так как этот метод позволяет определять механи- ческие свойства материалов на всех стадиях его деформирования: уп- ругая деформация – пластическая деформация – разрушение.

По результатам статических механических испытаний определя- ют также критерий жесткости материала Е (модуль упругости), МПа. Модуль упругости вводится для ограничения упругой деформации:

εmaxупр = σупр / Е,

где σупр – предел упругости материала.

12

Для снижения материалоемкости деталей и изделий введены па- раметры:

−удельная прочность σв / pg, м;

−удельная жесткость Е / pg, м,

где p – плотность материала, кг/м3, g – ускорение свободного паде- ния, м/с2.

Механические испытания с приложением ударных нагрузок осу- ществляются по тем же схемам нагружения, что и статические испы- тания: ударное растяжение, ударное сжатие и т.п. В зависимости от скорости деформирования (скорость перемещения рабочего органа испытательного оборудования при приложении нагрузки) различают обычное ударное нагружение (скорость деформирования 4–10 м/c), скоростное (100–300 м/c), сверхскоростное (более 300 м/c). Методика определения показателей прочности в этом случае аналогична проце- дуре обработки результатов при статических испытаниях.

Основным показателем прочности при длительном циклическом нагружении является предел выносливости σR, МПа. Предел вынос- ливости – максимальное по абсолютному значению напряжения цик- ла нагружение, при котором еще не происходит усталостное разру- шение до базы испытаний N. База испытаний N – предварительно за- даваемая, наибольшая продолжительность испытаний на усталость. Предел выносливости определяется по кривым усталости, которые получают согласно методу испытаний образцов металлов и сплавов на усталость [5]. Усталость материала – процесс постепенного накоп- ления повреждений материала под действием переменных напряже- ний, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их раз- витию и разрушению. Испытания при циклическом нагружении (по- вторно-переменные нагрузки) чаще всего проводят по схеме изгиба и кручения и реже при схемах растяжения и сжатия.

Пластичность – способность материала изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил. В физическом плане пластичность – свойство кристаллов, позволяющее осуществлять значительные относительные перемещения элементов кристаллической

13

решетки без ее разрушения с помощью механизмов пластической деформации.

При статических механических испытаниях показателями плас- тичности являются относительные показатели – изменения размеров испытываемых образцов к первоначальным таковым размерам. Так, при растяжении этими показателями являются относительное удлинение δ = (ℓк – ℓо) / ℓо и относительное сужение ψ = (dо – dк) / dо, где ℓо, dо и ℓк, dк – соответственно начальные и конечные длины и диаметры образца до и после растяжения. При осадке степень деформации ε = (hо – hк) / hо, где hо и hк – соответственно начальная и конечная высота образца до и после осадки.

Основные показатели пластичности материалов при ударных испытаниях определяются аналогичным образом.

Вязкость – способность материала противостоять хрупкому раз- рушению. Склонность материалов к хрупкому разрушению наиболее полно проявляется в условиях удара. Соответственно для определения вязкости материалов наиболее распространенным испытанием является испытание на ударный изгиб [9]. Показатель ударной вязкости КС = А / F, Дж/м2, где А – работа разрушения образца с концентратором напряжений, F – площадь поперечного сечения образца в месте концентратора напряжений. Согласно ГОСТ 9454-78 ударную вязкость материалов обозначают следующим образом:

−КСU – при разрушении образца с U-образным концентрато- ром напряжений;

−КСV – при разрушении образца с V-образным концентратором напряжений;

−КСТ – при разрушении образца с Т-образным концентратором напряжений (трещина усталости в основании V-образного концентра- тора напряжений).

Основным показателем ударной вязкости является КСU. Он состоит из двух слагаемых КСU = КСз + КСр, где КСз определяет работу зарож- дения трещины при испытании, КСр определяет работу распространения

14

трещины при испытании и является критерием трещиностойкости (способность материала сопротивляться распространению трещины).

Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого материала, не получающего остаточной деформации, при контактном взаимодействии в поверхностных слоях.

Твердость измеряют путем воздействия на поверхность испытываемого материала наконечника (индентора), изготовленного из прочного материала (закаленная сталь, алмаз, сапфир, твердый сплав) и имеющего различную форму (шар, конус, пирамида, игла). При нагрузке на индентор Р ≥ 30 Н формируется отпечаток размером до 10 мм. Тогда показатели твердости характеризуют макротвердость материала в целом. К испытаниям такого рода относятся способы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу. Нагрузки на индентор до 2 Н приводят к получению отпечатка очень малых размеров (измеряют с помощью микроскопа). В этом случае показатели твердости характеризуют микротвердость для структурных состав- ляющих, отдельных включений, кристаллов. Наибольшее распростра- нение получили методы измерения твердости при статическом на- гружении.

Метод измерения твердости по Бринеллю [3]

Этот метод позволяет измерять твердость черных и цветных металлов и сплавов при температурах 20±10 °С. В поверхность испытываемого материала вдавливают закаленный шарик диаметром 2,5; 5 и 10 мм. Нагрузка при вдавливании составляет 15,6–3000 кгс. Продолжительность выдержки под нагрузкой: 10; 30 и 60 секунд. Значение твердости определяют как НВ = Р / F, где Р – нагрузка на индентор, F – площадь поверхности отпечатка. Базовыми условиями измерения твердости этим методом являются: усилие 3000 кгс, диаметр шарика 10 мм, длительность выдержки под нагрузкой 10 секунд. Тогда обозначение твердости НВ 400 означает, что число твердости по Бринеллю составляет 400 кгс/мм2. В других случаях индексами указывают условия нагружения, отличные от базовых. Так, например,

15

НВ 5/250/30-200 означает, что твердость по Бринеллю 200 кгс/мм2 при внедрении шарика диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс в течение 30 секунд.

Метод измерения твердости по Роквеллу [4]

В этом методе измерения твердости индентор в виде алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,585 мм вдавливают в испытываемый материал под дей- ствием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предваритель- ной Р0 и основной Р1.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах в целых делениях соответствующей шкалы индикатора:

−шкала А: НRA 70-85 (P = Р0 + Р1 = 10 + 50 = 60 кгс);

−шкала В: НRВ 25-100 (Р = 10 + 140 = 150 кгс);

−шкала С: НRС 20-67 (Р = 10 + 90 = 100 кгс).

Значения твердости по Роквеллу используются как параметры, оценивающие твердость сплавов после закалки и отпуска.

Метод измерения твердости по Виккерсу [6]

Измерение твердости по Виккерсу основано на вдавливании ал- мазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136° в исследуемый материал под действием определенной нагрузки, приложенной в течение заданного времени, и измерением диагоналей отпечатка на поверхности материала после снятия нагрузки. Величина нагрузки изменяется от 1 до 100 кгс, длительность выдержки под нагрузкой 10–30 секунд.

Твердость по Виккерсу определяется как HV = 1,854 / d2, где d – среднее арифметическое значение длины диагоналей отпечатка. Размерность параметра HV в кгс/мм2 опускается. Базовые параметры нагружения: усилие 30 кгс, длительность выдержки 10–15 секунд. Для других случаев нагружения ставятся соответствующие индексы. Так, HV 30/20-420 означает, что число твердости 420 кгс/мм2 получают при нагрузке на индентор в 30 кгс и времени выдержки под нагрузкой 20 секунд.

16

Тепловые свойства:

Переход «твердое тело – жидкость» (плавление) Тпл, С. Переход «жидкость – пар» (испарение) Тисп, °С. Коэффициент линейного расширения α, К-1. Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м·град. Теплоемкость С, Дж/(моль·град).

Удельная теплота плавления λ, кДж/кг.

Коэффициент поверхностного натяжения в жидком состоянии σ, эрг/см2.

Электрические свойства:

Энергия отрыва электрона от нейтрального невозбужденного атома) (потенциал ионизации) u1, эв.

Энергия отрыва электрона от однородного невозбужденного иона u2, эв.

Стандартный электродный потенциал Е0, В. Переход в сверхпроводящее состояние Свп, °С.

Удельная проводимость (удельная электропроводность) σ, См/м. Удельное электрическое сопротивление ρ, ом·м.

Магнитные свойства:

Напряженность магнитного поля Н, А/м. Коэрцитивная сила Нс, А/м.

Магнитная индукция В, Тл. Магнитный поток Ф, Вб. Магнитная проницаемость µа, Гн/м. Остаточная индукция Br, Тл. Петля гистерезиса В = f(H).

Оптические свойства:

Коэффициент поглощения k при длине волны 500 нм и длине волны 5000 нм.

Коэффициент преломления n при длине волны 500 нм и длине волны 5000 нм.

Коэффициент отражения ρ, % при длине волны 5000 нм.

18

При анализе влияния физических свойств на выбор материала по назначению следует учитывать следующие случаи.

Физические свойства являются главными и определяющими срок эксплуатации детали, изделия из этого материала. Роль механических и других свойств не имеет существенного значения. Соответственно материалы в этом случае должны иметь только необходимый уровень определенных физических свойств. Так, например:

−для постоянных магнитов материалы должны иметь высокие показатели коэрцитивной силы и остаточной индукции;

−материалы для нагревательных элементов должны иметь вы- сокое удельное электросопротивление и низкий коэффициент тепло- вого расширения.

Физические свойства являются важными, но при обязательном высоком уровне механических свойств. Так, например:

−материалы для теплоэнергетических установок должны иметь высокую жаропрочность и низкий коэффициент теплового расширения;

−материалы для камер сгорания двигателей должны иметь вы- сокую жаропрочность и теплопроводность.

Физические свойства являются сопутствующими комплексу дру- гих более важных свойств материала. Например, режущий и штампо- вый инструмент должны иметь высокую прочность при повышенных температурах, при этом высокая теплопроводность выбранного мате- риала будет способствовать снижению температуры в зоне обработ- ки, что повысит стойкость этих инструментов при их эксплуатации.

Физические свойства не оказывают заметного влияния на экс- плуатационные свойства материалов. В этом случае анализируются те свойства, которые определены как важнейшие из анализа условий эксплуатации материала.

Химические свойства

В зависимости от состава, структуры и условий эксплуатации материала для характеристики его химических свойств используются следующие основные показатели.

19

Стойкость материала против общей коррозии

Этот показатель принято определять как потеря массы материала в течение определенного времени, отнесенная к единице площади – К, г/см2. Используется также показатель коррозионной стойкости (долговечности) В, мм/год.

При этом следует учитывать временную зависимость коррозион- ных потерь с учетом того, что Vк = dK / dt, где Vк – скорость коррозии, г/(м2·сут.), а также неравномерный характер коррозионного воздейст- вия на материал.

Стойкость материала против электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия – самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие взаимодействия с электроли- тами (влажная атмосфера и почва; морская и речная вода; водные растворы солей, щелочей и кислот и т.п.).

Скорость равномерной электрохимической коррозии оценивают удельной потерей массы материала в единицу времени на единице площади (мг/м2·с) или уменьшением размера детали за определенный период времени (мкм/год). Эти параметры устанавливаются на осно- вании метода определения показателей коррозии и коррозионной стойкости [13].

Стойкость материала против химической коррозии

Это способность материала сопротивляться коррозионному воз- действию газа при высоких температурах. При нагреве поверхность металлических материалов окисляется с образованием тонких оксид- ных пленок, природа которых будет определять их защитные свойст- ва через показатель коэффициента объема φ, который определяется из отношения молярных объемов оксидов и металла при окислении поверхности.

Скорость окисления оценивают по скорости изменения массы материала (г/м2·ч) или толщины оксидной пленки (мкм/ч). Темпера- турные зависимости скорости окисления материалов определяются экспериментально.

20