12. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР МАТЕРИАЛА

И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ

(машин, механизмов, трубопроводов и других конструкций)

Цель занятия - изучить способы учёта при проектировании и изготовлении металлических конструкций, машин и механизмов основных и дополнительных факторов, влияющих на надёжность, работоспособность и долговечность их эксплуатации.

Задачи:

изучить методику учёта основных факторов, сопутствующих работе машин, механизмов, конструкций (напряжения, температуры и т.д.) при выборе материала;

изучить методику учёта влияния конструктивных факторов на надёжность и работоспособность металлических конструкций;

изучить методику учёта влияния технологии изготовления металлических деталей, конструкций на их надёжность и работоспособность;

изучить методику учёта влияния дополнительных факторов (состав окружающей среды, наличие абразивных частиц и др.) на работоспособность машин и механизмов.

ВВЕДЕНИЕ

При изготовлении конструкций, машин, механизмов и сооружений разработчикам необходимо в определённых сочетаниях подбирать материалы,соблюдатьопределённыеправила и нормы конструирования,назначать оптимальные технологии изготовления деталей, узлов и агрегатов. При этом приходится учитывать рядосновныхидополнительныхфакторов, которые впоследствии будут определятьнадёжность, работоспособность,долговечностьконструкции,безотказность работыипростоту утилизации деталейиузлов, отработавших свой ресурс. К числу этих факторов относятсяпрочность, пластичность, технологичность материала, стойкость к воздействиям коррозии, возможность сочетания материалов друг с другоми др.

12.1. Учет реально действующих нагрузок

Прочностьпо физическому смыслу означает величинумаксимальнойнагрузки, которая является критичной для материала, детали или конструкции и приводит к их разрушению. Точнее,критичной являетсяне величина нагрузки как таковая, авеличина напряжений, создаваемых в материале конструктивного элемента действующей нагрузкой, обозначаемых в МПа, кг/мм²или в кг/см², и соотношение рабочих с уровнем разрушающих напряжений для данного материала. Для сравнения обычно используется значение_В -временного сопротивления на разрыв, указываемого в справочниках, паспортах и сертификатах на материалы и определяемое по стандартной методике при статических испытаниях на растяжение. Для конкретных деталей или элементов конструкций значение_В определяется по формуле

,(12.1)

где _В - временное сопротивление на разрыв, определяемое по стандартным методикам, МПа, кг/мм²или кг/см²;

P_max - предельное значение усилия, приводящее к разрушению, кг;

F -площадь поперечного сечения детали, воспринимающей разрушающую нагрузку, мм²или см².

Необходимо учитывать, что рассчитанная по максимальной (разрушающей) нагрузке деталь не является надёжной, так как в реальных условиях работы машин и механизмов часто возникают сочетания условий, не критичных по отдельности, но способных привести к разрушению при совместном действии. В этом случаемаксимальная нагрузка не будет достигнута, а деталь, механизм разрушится. Например, деталь или механизм, спроектированные для работы при статическом нагружении, будут совершенно иначе себя вести при наличии вибраций (появляется составляющая, равнаяmV²/2) или циклического температурно-силового воздействия (ЦТСВ) и разрушатся раньше намеченного срока, так как фактически будут работать в экстремальных условиях.

В практике машиностроения при расчётах машин и механизмов всегда используют так называемый коэффициент запаса прочности,величина которого может изменяться в широких пределах, от 1,2 до 10-15, а иногда и больше, даже может доходить до 50. Этот коэффициент должен учитывать обычные перегрузки (например, в момент запуска или остановки машины), а также возможные экстраординарные, не являющиеся нормой при нормальной эксплуатации машин и механизмов случаи нагружения, силового и температурного воздействия на детали и элементы конструкции. Например, разрушение поршня или обрыв шатуна в одном из цилиндров двигателя внутреннего сгорания должно привести к падению мощности, появлению стука (за счёт появления дисбаланса) и перебоев в работе двигателя, дать сигнал к его остановке, но силовые детали других цилиндров и корпус двигателя должны перенести местную неисправность без разрушения.

При проектировании деталей и узлов, машин и механизмов коэффициент

запаса реализуется закладкой в расчёты предельно высокого уровня действующих сил, температур, уровня вибраций, выбором более прочных(чем требуется по первоначальному расчёту)материалов,увеличением рабочих сечений деталей.При этом необходимо учитывать, чтонедостаточный запас прочностиможет привести к преждевременному,непредвиденному разрушению конструкции. В то же время чрезмерный,неоправданно высокий коэффициент запаса приводит к чрезмерномуувеличению размеровимассы, кудорожанию изделия иснижению его конкурентоспособностина внутреннем и международном рынках. Именно по причине избытка массы, громоздкости, неуклюжести дизайна в годы Советской власти не были конкурентоспособными на международном рынке наши тракторы, экскаваторы, станки, грузовые автомобили и другие промышленные изделия.

Оптимальное конструирование машин и механизмов – сложный и ответственный процесс.

Анализ прочности детали в процессе эксплуатации включает изучение целого ряда внутренних и внешних факторов, основными из которых являются состав, технология получения и обработки материала, конструкция детали, технология её изготовления,характер приложения нагрузок,воздействие постоянных и переменныхфакторов эксплуатации(температура, окружающая среда, наличие вибраций, влаги, воздействие коррозионно-активных элементов; длительность эксплуатации, в том числе на определённых режимах и пр.).

Одним из важнейших свойств материала, подлежащих первоочередному учёту при проектировании машины или механизма (наряду с прочностью), является пластичность.

Пластичность- это способность металла деформироваться под нагрузкой, не достигшей максимального значения. Важное значение имеет величина напряжений, при достижении которых металл начинает деформироваться, изменять свою формупри постоянном значении приложенного усилия.Это значение напряжений, называемоепределом текучестиметалла_Т, находят из той же диаграммы, записанной при испытаниях на растяжение, и определяют по формуле

, (12.2)

где P_T- величина нагрузки, при которой начинается самопроизвольная деформация металла.

Знание величины _Т приобретает особенно важное значение в тех случаях, когда критичным для работы конструкции становится не значение прочности, а нежелательность,недопустимость пластической деформации детали или места её соединения с другой деталью. В процессе эксплуатации изделия могут наблюдаться случаи, когда предел прочности всей конструкции не будет превышен, однако деформация одной или нескольких деталей может привести к разгерметизации соединений, утечке горючих и взрывоопасных веществ и материалов. Это особенно важно для трубопроводов и резервуаров, предназначенных для транспортирования и хранения газа и нефтепродуктов, при сооружении которых используется соединение сваркой. Поскольку металл в зоне шва имеет меньшие пластические характеристики, может произойти авария с тяжелыми последствиями. Обычно_Т = (0,50-0,80)_В .

Из диаграммы в координатах "усилие-деформация", записанной при стандартных испытаниях образцов на растяжение, определяют также значения относительного удлинения (δ) и сужения (ψ), которые являются дополнительными характеристиками пластичности материала (в %%) под нагрузкой и наряду с _Ви_Туказываются в справочниках и каталогах на конструкционные материалы. В ряде случаев при проведении периодических (сертификационных) испытаний именно по снижению значения относительного удлинения узнают о том, что происходит охрупчивание металла в условиях ЦТСВ и старения.

Особенно наглядно проявляется изменение пластических свойств металла при определении значений ударной вязкости KCUпри комнатной и пониженных (-20, -40 и -60^оС) температурах. Эти показатели чувствительно реагируют на изменение содержания углерода, процессы старения металла и другие явления.

В практике машиностроения и эксплуатации конструкций, машин и механизмов величину временного сопротивления (_В), предела текучести (_Т) и ударной вязкости (KCU) нельзя воспринимать как нечто стандартное, неизменное, не зависящее ни от каких причин. В действительности их значения существенно зависят отспособа и качествапроведениявыплавки металла, отприменяемойтехнологии иточности её соблюдения при изготовлении каждой отдельной детали (в частностиот уровня остаточных напряжений), отдлительностии условий эксплуатациимашины, конструкции.

Нередко, с учётом всех указанных факторов, один и тот же материал в разных условиях использования может показывать разные результаты. Так, применение высокопрочной легированной стали для изготовления детали может не дать ожидаемых высоких результатов по причине проведения термической обработки с нарушениями режимов закалки и отпуска. Или, например, длительная (30, 40, 50 и более лет) эксплуатация резервуара для хранения нефтепродуктов или трубопровода приводит к упрочнению стали с одновременным снижением пластических свойств и развитием охрупчивания - в результате естественного старения металла. Вместе с тем, одновременно протекают и процессы разупрочнения: за счёт наводораживания и водородного охрупчивания от воздействия хранимых нефтепродуктов происходит снижение характеристик ударной вязкости металла. В какой-то момент в балансе этих процессов возникает перевес в нежелательную сторону, что при стечении каких-то внешних факторов может привести к внезапному разрушению конструкции с крупными неприятностями для эксплуатационников (потеря продукта, загрязнение земли, отравление природы, пожар и т.д.).