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

2.2.ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Вматериаловедении надежность материала – свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Для сопротивления хрупкому разрушению материал должен обладать достаточной пластичностью

иударной вязкостью.

Основные показатели пластичности и вязкости при стандартных механических испытаниях [2, 7, 9]:

−относительное удлинение образца при его растяжении – δ, %;

−относительное сужение образца при его растяжении – ψ, %;

−ударная вязкость – КС, Дж/м2.

Вышеперечисленные показатели пластичности и вязкости справедливо рассматривать для пластичных материалов нормальной прочности. Для конструкционных материалов повышенной прочности, эксплуатируемых в условиях, способствующих хрупкому разрушению (концентраторы напряжений, динамические нагрузки, низкие темпе- ратуры, масштаб детали), необходимо учитывать трещиностойкость материала – его способность сопротивляться развитию трещин. В механике разрушения для наиболее жесткого нагружения (плоская деформация растяжением) введен показатель К1С – вязкость разрушения, МПа мм1/2 (коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины). К1С определяют на плоских образцах с надрезом и с заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной, фиксируя нагрузку в момент перехода трещины к нестабильному распространению.

При эксплуатации материала в области отрицательных темпера- тур следует учитывать параметр t50 – порог хладноломкости материа- ла (хладноломкость – склонность к хрупкому разрушению в области отрицательных температур), который показывает интервал темпера- тур (или одну температуру), при котором в изломе материала будет 50 % вязкой составляющей при его разрушении методом испытания на ударный изгиб [9]. Для материалов, не имеющих порога хладно- ломкости, хладноломкость оценивается температурой, при которой

31

КСU не менее 0,3 МДж/м2 (КСU определяет ударную вязкость образ- ца имеющего U-образную форму концентратора напряжений на нем для проведения испытаний на ударный изгиб).

2.3.ПОКАЗАТЕЛИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Вматериаловедческом аспекте долговечность материала – спо- собность материала сопротивляться развитию постепенного разруше- ния, обеспечивая работоспособность детали из этого материала в те- чение заданного ресурса времени. Работоспособность – состояние объекта, при котором все параметры, характеризующие способность выполнять заданные функции, соответствуют нормам или техниче- скому заданию.

Обеспечение долговечности материала означает уменьшение скорости его разрушения до заданных значений в эксплуатационных условиях. Проанализируем основные условия эксплуатации материа- лов, их свойства и показатели в этих условиях.

Эксплуатация материала в условиях длительного действия переменных напряжений (циклическое нагружение)

Этот вид эксплуатации вызывает усталостное разрушение мате- риала – разрушение материала нагружаемого объекта до полной по- тери его прочности или работоспособности вследствие распростране- ния усталостной трещины. Причина возникновения и распростране- ния усталостной трещины – усталость материала. Усталость – про- цесс постепенного накопления повреждений материала под действи- ем переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, обра- зованию трещин, их развитию и разрушению.

В условиях циклического нагружения материал должен обладать заданным уровнем сопротивления усталости. Сопротивление устало- сти материала характеризуется пределом выносливости. Предел вы- носливости σR, МПа – максимальное по абсолютному значению на- пряжения цикла нагружения, при котором еще не происходит устало- стное разрушение до базы испытаний N. База испытаний N – предва-

32

рительно задаваемая наибольшая продолжительность испытаний на усталость. Предел выносливости определяется по кривым усталости, которые получают согласно методу испытаний образцов металлов и сплавов на усталость [5]. В зависимости от условий эксплуатации ис- пытания на усталость проводят при повышенных и пониженных тем- пературах, а также в условиях агрессивных сред.

Эксплуатация материала в условиях контактного трения

В условиях контактного трения материал должен обладать высо- кой износостойкостью. Износостойкость – способность материала сохранять размеры, форму, массу или состояние поверхности вслед- ствие разрушения поверхностного слоя при трении. Износостойкость материалов определяется с помощью методов испытания на износо- стойкость [10]. Величина износа устанавливается прямо или косвенно. Прямые методы измерения:

−абсолютная линейная величина износа ∆l, мкм, мм;

−абсолютная объемная величина износа ∆V, мкм3, см3;

−абсолютная величина износа по массе ∆m, мг, г.

Эти величины могут быть представлены также относительными параметрами, например линейная скорость износа (мкм/ч), удельная относительная линейная величина износа (мм/кг) и т.п.

Косвенные характеристики:

−время износа, (ч);

−количество материала, потерянного в результате износа.

Эксплуатация материала при повышенных температурах

Температурные воздействия на материал изменяют его структур- но-фазовое состояние и состояние поверхности и, как следствие, свойства материала, снижая в первую очередь прочностные свойства. Соответственно материал при эксплуатации в условиях высоких темпе- ратур должен обладать высокой жаропрочностью и жаростойкостью.

33

Жаропрочность – способность материала длительное время со- противляться деформированию и разрушению при повышенных тем- пературах. Жаропрочность следует учитывать при выборе материала, когда рабочие температуры эксплуатации превышают 0,3 Тпл (Тпл – температура плавления материала).

Критериями жаропрочности являются: предел длительной проч- ности; предел ползучести; сопротивление релаксации.

Предел длительной прочности – напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Его определяют на основе метода испытаний на длительную прочность [11]. Наибольшее распространение получил изотермиче- ский метод испытаний на растяжение: нагретый образец доводится до разрушения под действием постоянной растягивающей нагрузки при постоянной температуре. Время до разрушения при этих условиях на- гружения является основным показателем. Предел длительной проч- ности обозначается στt, МПа, где t – значение температуры, τ – дли- тельность испытаний. Например, запись σ1000700 = 130 МПа означает, что при 700 °С материал выдержит действие напряжения в 130 МПа в течение 1000 часов.

Предел ползучести – напряжение, под действием которого мате- риал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре. Его определяют на основе метода испытания на ползучесть [12]. В обозначении предела ползучести указывают температуру, деформацию и время, за которое возникла деформация при заданном напряжении. Так, запись σ1,5I1000600 = 100 МПа означает, что под действием напряжения в 100 МПа за 1000 часов при температуре 600 °С в материале возникнет пластическая деформация в 1,5 %.

Ползучесть материала вызывает релаксацию напряжений σ0 в предварительно нагруженных деталях. Критерием сопротивления ре- лаксации является падение напряжения ∆σ = σ0 – στ за время τ при за- данной температуре.

34

Жаростойкость – способность материала сопротивляться корро- зионному воздействию газа при высоких температурах (сопротив- ляться действию химической коррозии). При нагреве поверхность ме- таллических материалов окисляется с образованием тонких оксидных пленок, природа которых будет определять их защитные свойства.

Скорость окисления оценивают по скорости изменения массы материала (г/м2·ч) или толщине оксидной пленки (мкм/ч). Темпера- турные зависимости скорости окисления материалов определяются экспериментально. По ним оценивают жаростойкость материала и максимально допустимую температуру его эксплуатации.

Эксплуатация материала при отрицательных температурах

Эксплуатация материалов в области отрицательных температур сопровождается снижением пластичности и вязкости и повышением склонности к хрупкому разрушению. Важнейшее требование, опре- деляющее пригодность материала для эксплуатации при отрицатель- ных температурах – его холодостойкость.

Холодостойкость – способность материала сохранять пластич- ность в области отрицательных температур. Холодостойкими будут являться материалы, сохраняющие достаточную вязкость при темпе- ратурах от 0 °С до минус 269 °С (273–(-4) К).

Основные критерии холодостойкости материалов:

−порог хладноломкости t50;

−условный предел текучести и предел прочности в области от- рицательных температур;

−температура, при которой ударная вязкость составляет не ме- нее 0,3 МДж/м2;

−вязкость разрушения К1С в условиях плоской деформации. Все из указанных критериев определяются на основе механиче-

ских испытаний, установленных ГОСТами при конкретных отрица- тельных температурах эксплуатации материала.

35

Эксплуатация материала в условиях коррозионных сред, вызывающих электрохимическую коррозию

Электрохимическая коррозия – самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие взаимодействия с электроли- тами. Электролитами являются вещества с ионной проводимостью (вещество должно содержать ионы, которые обладают способностью перемещаться под действием электрического поля): влажная атмо- сфера и почва; морская и речная вода; водные растворы солей, щело- чей и кислот и т.п.

Способность материалов сопротивляться электрохимической коррозии называется коррозионной стойкостью. В коррозионностой- ких материалах процесс коррозии развивается с малой скоростью. Скорость равномерной 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 основании метода оп- ределения показателей коррозии и коррозионной стойкости [13]. Кроме того, важно иметь представление о склонности конкретного материала к таким видам коррозии, как межкристаллитная коррозия (хрупкое коррозионное разрушение по границам кристаллов при теп- ловой обработке и эксплуатации) [14], коррозионное растрескивание (коррозионное разрушение от совместного действия электролитов и растягивающих напряжений) [15], коррозионная выносливость (кор- розионное разрушение под действием циклических нагрузок в элек- тролитах) [16].

2.4. ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

При выборе материала по назначению важнейшим вопросом яв- ляется возможность использования технологий, позволяющих на эта- пе маршрутной технологии изготовления детали из выбранного мате- риала получать заданные свойства материала заготовок за счет изме-

36

нения его структуры. Этими технологиями являются термическая об- работка, химико-термическая обработка, термомеханическая обра- ботка и обработка давлением. Эти технологии являются эффектив- ными методами повышения конструкционной прочности материалов. При этом следует иметь в виду, что проблема повышения конструк- ционной прочности материалов состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высоком уровне проч- ности обеспечить и высокую надежность материала.

Термическая обработка материалов

Термическая обработка – тепловое воздействие на материалы по различным режимам с целью получения различных структур. Терми- ческая обработка – один из основных и эффективных методов изме- нения структуры металлических материалов, а следовательно, и их свойств. Основные факторы термической обработки – температура и время. Основные параметры: скорость нагрева, температура нагрева, время выдержки, скорость охлаждения. Основные виды термической обработки по физическому признаку: отжиг I рода; отжиг II рода; за- калка; отпуск.

Отжиг I рода заключается в нагреве сплава, имеющего неравно- весное состояние в результате предшествующей обработки и приво- дящий сплав в более устойчивое состояние без протекания фазовых превращений в твердом состоянии. Отжиг I рода проводится с целью снижения внутренних напряжений, полученных в результате предше- ствующей обработки (литье, обработка давлением, сварка и т.п.). Ос- новными видами отжига I рода являются диффузионный (гомогени- зирующий), низкий и рекристаллизационный отжиги.

Диффузионный отжиг проводят с целью устранения или сниже- ния дендритной ликвации, которая возникла за счет избирательной кристаллизации отливок. Этот вид отжига проводят при максимально возможной температуре (например, для стали при 1100–1150 °С) и длительной выдержке (до нескольких суток). Выравнивание химиче- ского состава происходит за счет протекания диффузионных процессов.

37

Низкий отжиг используют, когда структура сплавов после горя- чей обработки не требует исправления, а требуется снять внутренние напряжения. В этом случае температура нагрева не превышает

650–680 °С.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия деформаци- онного упрочнения сплавов после холодной пластической деформа- ции за счет перекристаллизации в твердом состоянии (вытянутые в направлении течения материала при деформации кристаллы-зерна после этого вида отжига принимают равноосную форму). Этот вид отжига снижает прочностные и повышает пластические показатели.

Отжиг II рода заключается в нагреве сплава до температур фа- зовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого равновесного состояния. Отжиг II рода про- водится с целью разупрочнения материала и получения высоких по- казателей пластичности и вязкости для него. Основными видами от- жига II рода являются: полный, неполный, изотермический, сферо- идизирующий, нормализация.

Полный отжиг для сталей проводится при температурах выше критической точки АС3. Полному отжигу подвергают только доэвтек- тоидные и эвтектоидные стали (содержание углерода не превышает 0,8 %). После полного отжига полностью снимаются внутренние на- пряжения, формируется равновесная структура, и, как следствие, ста- ли имеют максимальную пластичность и минимальную прочность.

Неполный отжиг проводится в температурном интервале между критическими точками АС1 и АС3. Неполный отжиг преимущественно применяется для заэвтектоидных сталей, так как при полном отжиге у этих сталей образуется сплошная сетка вторичного цементита, и про- исходит укрупнение зерна аустенита, что приводит к резкому сниже- нию пластичности сталей. Для доэвтектоидных сталей неполный от- жиг применяется редко, главным образом с целью улучшения обраба- тываемости резанием.

Сфероидизирующий отжиг заключается в нагреве стали до тем- пературы на 10–20 °С выше критической точки АС1, охлаждении до

38

700–650 °С, выдержке при этой температуре в течение 2–4 часов и последующим охлаждением на воздухе. При изотермической вы- держке цементит в структуре стали принимает глобулярную форму, что повышает пластичность по сравнению со структурой пластинча- того перлита. Этот вид отжига используется для инструментальных эвтектоидных и заэвтектоидных сталей.

При изотермическом отжиге сталь нагревают, как и при полном отжиге, а затем быстро переносят в печь с температурой ниже крити- ческой точки АС1 на 50–100 °С. При этой температуре сталь выдер- живают до полного распада аустенита, после этого производят охла- ждение на воздухе. После изотермического отжига формируется бо- лее однородная структура, что связано с выравниваем температуры изотермической выдержки по сечению заготовки детали и превраще- нием аустенита по всему объему одновременно.

Нормализация заключается в нагреве стали выше критической точки АС3 на 30–60 °С для доэвтектоидных сталей и на 50–60 °С вы- ше АСm для заэвтектоидных сталей с последующим охлаждением на воздухе. При охлаждении на воздухе аустенит переохлаждается до более низких температур, чем при полном отжиге, и распадается на сорбит (ферритно-цементитная смесь) с пластинчатой формой. Соот- ветственно сталь после нормализации будет иметь более высокую твердость и прочность, чем после отжига, однако, ударная вязкость до 1,5 раза выше, по сравнению с исходным состоянием. Нормализа- ция используется для обработки мало- и среднелегированных сталей. Для заэвтектоидных сталей нормализация устраняет цементитную сетку по границам зерен перлита. Нормализация также более эконо- мичный процесс, чем отжиг.

Закалка заключается в нагреве сплава выше температур фазовых превращений с последующим охлаждением, со скоростью охлажде- ния, обеспечивающей получение неравновесного (неустойчивого) со- стояния сплава. Закалка является упрочняющей операцией термиче- ской обработки: после закалки стали имеют максимальные значения

39

прочности и твердости и, соответственно, минимальные значения пластичности и вязкости.

Важно отметить, что закалку воспринимают только те сплавы, диаграммы состояния которых имеют области фазовых превращений в твердом состоянии. Другими словами, при нагреве должны проис- ходить либо существенное изменение растворимости компонентов друг в друге, либо полиморфные (аллотропические) превращения. Так, закалку воспринимают железоуглеродистые сплавы, титановые сплавы, некоторые алюминиевые сплавы и ряд других. Наибольший эффект упрочнения при закалке претерпевают углеродистые и леги- рованные стали.

Закалка включает в себя две основные стадии: нагрев и выдержку при температуре закалки для завершения структурно-фазовых пре- вращений у сплавов; охлаждение сплавов с закалочных температур со скоростью, исключающей возможность изменения структурно-фазо- вого состава по диффузионному механизму. Эту скорость охлажде- ния называют критической скоростью закалки Vкр. При охлаждении с этой скоростью диффузия железа и углерода полностью исключается, и гранецентрированная решетка аустенита мгновенно перестраивает- ся в тетрагональную и формируется пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе – мартенсит. Структура мартенсита имеет максимальные значения прочности и твердости, минимальную пла- стичность и вязкость. Следует отметить, что стали с содержанием уг- лерода менее 0,2 % не принимают закалки, т.е. термически не упроч- няются.

Практические результаты закалки зависят от температуры нагре- ва и скорости охлаждения. Доэвтектоидные и эвтектоидные стали (углерода до 0,8 %) подвергают полной закалке (температура нагрева на 20–30 °С выше критических точек АС3), заэвтектоидные – непол- ной (на 20–30 °С выше критических точек АС1). При нагреве сталей выше АС3 они после резкого охлаждения приобретают структуру мар- тенсита, при нагреве в интервале АС1–АС3 (неполная закалка) в струк-

40