3. Вплив стану поверхні.

Поверхня деталі завжди має дефекти, пов’язані з якість механічної обробки, а також з корозією внаслідок впливу оточуючого середовища. Тому тріщини від втоми матеріалу починається з поверхні, а погана якість останньої приводить до зниження опору втомленості. Це пояснюється тим, що риски та подряпини на поверхні деталі є концентратором напружень. Вплив стану поверхні деталі на витривалість оцінюють коефіцієнтом якості поверхні β_σ, який дорівнює відношенню границі витривалості (σ_-1)n зразка із заданим станом поверхні, до границі витривалості σ_-1 зразка з полірованою поверхнею:

Значення β_σ залежить від стану поверхні знаходять за допомогою наведених в довідковій літературі графіків и таблиць.

Запишемо коефіцієнт концентрації деталі.

Лекція № Вплив різних факторів

на механічні властивості матеріалів

Механічні характеристики матеріалів залежать від багатьох факторів. На властивості металів та сплавів істотно впливають хімічний склад, їх термічна та хімічна обробка, умови експлуатації—температура, середовище, характер навантаження тощо.

Останнім часом розвиваються нові види техніки: реактивна авіація, ракетна техніка, атомна енергетика тощо. Матеріали, що застосовуються у нерівних конструкціях нової техніки, зазнають дії високих температур, великих швидкостей навантажування, агресивних рідких та газоподіб­них середовищ, радіоактивних, особливо нейтронних, проникних випро­мінювань. Для роботи в цих умовах створюють нові спеціальні сплави та композиційні матеріали [1].

Нижче розглядається вплив деяких факторів на механічні характе­ристики найбільш важливих у машинобудуванні матеріалів — сталі, чавуну, алюмінію, різних сплавів.

12.1. Вплив високих температур. [1]Багато деталей сучасних машин (наприклад, па­рових та газових турбін, реактивних двигунів, атомних реакторів та ін.) працюють при висо­ких температурах, що досягають 800...1000 °С. Випробування показали, що всі механічні характеристики металів істотно змінюються залежно від температури.

На рис. 12.1 наведено діаграми напружень вуглецевої сталі при різних температурах, а на рис. 12.2 — графіки залежності від температури гра­ниці текучості, тимчасового опору й відносного подовження при розтя­ганні. В інтервалі температур 150...250 °С тимчасовий опір досягає найбіль­шого значення, а відносне подовження після розриву — найменшого; сталь, як кажуть, стає сильно ламкою. За більш високих температур міцність вуглецевої сталі швидко зменшується, тому при температурах, вищих за 350...400 °С, таку сталь не застосовують.

З підвищенням температури також істотно зменшується модуль пружності Е (рис. 12.3), а коефіцієнт Пуассона дещо збільшується. Так, при зростанні темпера­тури від кімнатної до 500 °С коефіцієнт Пуассона збільшується від 0,28 до 0,33.

Вуглецеві сталі при високих температу­рах дуже окислюються, на їхній поверхні утворюється окалина. У зв'язку з цим зас­тосовують спеціальні жаростійкі та жа­роміцні сталі, які містять у собі різні легу­ючі добавки. Жаростійкістю називають властивість матеріалу протистояти хімічно­му руйнуванню поверхні при високих температурах, а жароміцністю — здатність зберігати при високих температурах механічні властивості. Ос­таннім часом створено спеціальні сплави, а також металокерамічні мате­ріали, що надійно працюють при температурах до 100 °С.

12.2. Повзучість [1]. При високих температурах істотне значення має явище повзучості матеріалів (крип), яке характеризується зростанням пластич­ної деформації з часом при постійному напруженні, що не спричинює пла­стичних деформацій під час короткочасної дії навантаження. Залежно від напруження та температури деформація, що виникає внаслідок повзучості, може або припинитися, або продовжуватися до руйнування матеріалу.

На рис. 12.4, а наведено криві повзучості сталі при постійній темпера­турі для різних напружень, а на рис. 12.4, б — криві повзучості при постійному напруженні, але різних температурах, причо­му Т₁ < Т₂ < Т₃ < Т₄ < Т₅. Як видно із порівняння графіків, збільшення напруження при постійній температурі й підвищення температури при постійному напруженні однаково впливають на повзучість матеріалу, а саме — швидкість повзучості збільшується.

Окремі відрізки кривих рис. 12.4 характеризують різні швидкості на­ростання деформації. Розглянемо, наприклад, криву 4. Вертикальний відрізок Оа відображує подовження, здобуте відразу після навантажу­вання. Відрізок аb — це відрізок неусталеної повзучості, оскільки швид­кість її тут з часом зменшується. Прямолінійний відрізок bс називається відрізком усталеної повзучості, що характеризується її постійною швид­кістю. Відрізок сd характеризує зростання швидкості повзучості, що закінчується руйнуванням зразка (точка d).

Решта кривих повзучості відрізняється від кривої 4 тим, що в них не­має того чи іншого відрізка. Так, криві 1, 2 та 3 зображують випадки, коли повзучість не спричинює руйнування (на них немає відрізка сd). Крива 5 не має відрізка усталеної повзучості (точки b та с збігаються). Ця крива відповідає випадку, коли період неусталеної повзучості заміняється відразу періодом із зростаючою її швидкістю, який закінчується руйнуван­ням. Межа між цими двома періодами визначається точкою перегину b.

Границею повзучості називається найбільше напруження, при якому швидкість або деформація повзучості при даній температурі за певний про­міжок часу не перевищує встановленого значення (наприклад, швидкості 0,0001 %/год. або деформації 1 % за 10 000 год.).

Якщо границю повзучості визначають за деформацією, то познача­ють її літерою з трьома числовими індексами: двома нижніми й однимверхнім. Перший нижній індекс відображує задане подовження (сумарне або залишкове), %; другий нижній індекс — заданий час випробування, год.; верхній індекс — температуру, °С. Наприклад, запис означаєграницю повзучості при допуску на деформацію 0,2% за 100 год. випробу­вання при температурі 700 °С. При цьому треба додатково зазначити, за сумарною чи залишковою деформацією визначалася границя повзучості.

Якщо границя повзучості визначається за швидкістю повзучості, то її потрібно позначати літерою з двома числовими індексами: однимверхнім й одним нижнім. Нижній індекс відображує задану швидкість повзучості, %/год; верхній — температуру випробування, °С. Наприклад, - це границя повзучості при швидкості її%/год при тем­пературі 600 °С. При цьому треба додатково зазначити час випробування,протягом якого було досягнуто задану швидкість повзучості.

Деталі, що працюють при високих температурах, розраховують на повзучість спеціальними методами з використанням експериментальних даних, які характеризують повзучість матеріалу. Метою таких розрахунків є визначення границь повзучості.

За результатами експериментального визначення швидкості повзучості при розтяганні зразків будують графіки в логарифмічних координатах lg~lg. Експериментальні точки добре групуються навколо деякої прямої (рис. 12.5, а).

Зазначимо, що в деяких матеріалах (свинець, бетон, високо-полімерні матеріали тощо) повзучість спостерігається й при нормальній температурі.

12.3. Тривала міцність [1].У разі високої температури й довгочасної дії наван­таження відбувається руйнування матеріалу при напруженні, яке менше за тимчасовий опір матеріалу при даній температурі. У зв'язку з цим ви­никає потреба визначити тривалу міцність матеріалів.

Границею тривалої міцності називається напруження, що спричинює розрив зразка після заданого строку безперервної дії цього напруження при певній температурі. Позначається границя тривалої міцності літерою σ з двома числовими індексами. Верхній індекс вказує температуру випробуван­ня, °С, нижній — задану тривалість випробування до руйнування, год. Останню можна позначити кількістю годин або цифрою 10 з показником степеня. Наприклад,або—границя тривалої міцності за 1000 год випробування при температурі 700 °С.

Випробування на тривалу міцність полягає в тому, що зразки піддають різним напруженням при певній температурі і дізнаються про час до їх розри­ву. Результати подають у вигляді графіка (рис. 12.5, б). Маючи криву трива­лої міцності матеріалу, можна визначити руйнівне напруження за заданим строком роботи деталі при заданій температурі; або за заданим напру­женням можна визначити час до руйнування. Наприклад, деталь, виготовле­на з матеріалу, для якого криву тривалої міцності зображено на рис. 12.5, б, при напруженні З0 МПа та температурі 500°С зруйнується через 2550 год.

Результати експериментального визначення тривалої міцності зручно подавати у логарифмічних координатах lg~lgt, де вони досить добре апроксимуються прямими (рис. 12.5, а).

Зазначимо, що чим менше руйнівне напруження, а отже, більший час розриву, тим менше відносне подовження при розриві, тобто матеріал стає більш крихким. Для низки матеріалів (наприклад, для високо-полімерів) зазначений ефект виявляється і при кімнатній температурі.

12.4. Релаксація напружень [1]. Релаксацією напружень називається зменшення їх з часом унаслідок повзучості в навантаженій деталі при незмінній її повній деформації. У більшості металів релаксація помітна лише при високих температурах (рис. 12.6). Для ілюстрації цього явища наведемо такі приклади.

Між розведеними кінцями розрізаного сталевого кільця вставимо пластинку (рис. 12.7). Унаслідок де­формації кільця в ньому виникнуть напруження, і кін­ці кільця, намагаючись зблизитися, з великою силою стиснуть пластинку. Якщо це з'єднання витримати де­який час при високій температурі, то в кільці відбу­деться релаксація напружень, сила затискання пла­стинки зменшиться і її можна буде легко вийняти.

Відомо, що початкове затягування болтів, які працюють при високій температурі, з часом слабшає, і це спричинює по­требу підтягувати їх.

12.5. Вплив низьких температур [1]. На механічні властивості деяких матері­алів істотно впливають низькі температури. Це виявляється в тому, що матеріали, пластичні при нормальній температурі, стають крихкими при низьких температурах. Такі матеріали називають холодноламкими.

Холодноламкість характерна для металів, що мають кристалічні ґраткиу вигляді об’ємноцентрованого куба або гексагональні. До них належать більшість чорних металів, зокрема сталі, а також цинкові сплави. Вияв­ляється холодноламкість як при статичній дії навантаження, так і при динамічній. Як приклад на рис. 12.8 наведено графіки зміни границі теку­чості, тимчасового опору, відносних подовження і звуження при статич­них випробуваннях вуглецевої сталі при низьких температурах.

Метали, що кристалізуються в системі куба з центрованими гранями (мідь, алюміній, нікель, срібло, золото тощо), не виявляють холоднолам­кості ні за якого зниження температури. Наприклад, алюміній при темпе­ратурі рідкого азоту (-196°С) збільшує міцність приблизно в 2 рази, од­ночасно збільшуючи відносне подовження в 4 рази. Аналогічно пово­дять себе мідь та нікель. Багато сплавів алюмінію, міді, а також деякі сталі не виявляють холодноламкості.

55