Вопрос 21

Жаростойкость и методы ее повышения

Жаростойкость — способность металлов и сплавов сопротивляться окислению и газовой коррозии при высоких температурах. Жаростойкость зависит от многих внешних и внутренних факторов. В основном за жаростойкостьотвечают поверхность металла и чистота ее обработки. Полированные поверхности окисляются медленнее, так какоксиды распределены равномерно и более прочно сцеплены с поверхностью металла. Формирующаяся наповерхности оксидная пленка достаточно хорошо защищает металл от дальнейшего окисления в том случае, если она плотная и не пропускает ионы кислорода, хорошо сцеплена с подложкой и не отслаивается при механических испытаниях. К металлам, которые образуют такие пленки, относятся хром и алюминий. Оксидные пленки типашпинели Сг203 и А1203 хорошо защищают от окисления при высоких температурах. Если на поверхности образуется рыхлый оксид, как у магния, то он не стоек и не защищает металл от дальнейшего окисления.

Повышение жаростойкости сплавов достигается легированием элементами (хром, алюминий, кремний), образующими на поверхности непроницаемые для ионов основного металла и кислорода Оксидные пленки. Также для этих целей используются защитные покрытия, состав которых выбирается с учетом условий работы изделия исостава агрессивной среды. Структура жаростойкого материала должна быть однородной и однофазной (чистые металлы, твердые растворы).

Термическая обработка меняет строение сплавов и, следовательно, их коррозионную стойкость. Отжиг инормализация приводят к формированию однофазной структуры и способствуют увеличению жаростойкостиматериала.

Пластическая деформация ухудшает жаростойкость, так как приводит к появлению градиента напряжений вструктуре металла. Величина зерна для жаростойкого материала не существенна, поэтому эта характеристикаявляется структурно нечувствительной.

Характеристики сплавов, стойких к коррозии при повышенных температурах, могут быть даны лишь к конкретным агрессивным средам и выбор материала решается с учетом условий работы данного изделия.

Вопрос 22

Усталость металла — изменение состояния металла в ре­зультате многократного (циклического) деформирования, приводящее его к прогрессирующему разрушению. Если проанализировать процесс разрушения детали от действия переменных напряжений, то можно вы­делить две его фазы: образование микротрещины, а затем ее дальнейшее развитие до полного разрушения образца. Протекание первой фазы свя­зано со структурными особенностями материала, состоянием поверхнос­ти и амплитудой цикла. Во второй фазе сохраняют влияние структурные особенности и амплитуда цикла, но вступают в силу новые факторы, та­кие, как размеры и форма детали и законы распределения напряжений по ее объему.

Статистика показывает, что до 80% поломок и аварий при эксплуатации машин связано с усталостными явлениями. Поэтому проблема усталостной прочности является важнейшей для повышения надежности и долговечно­сти машин. Сопротивление усталости характеризуется пределом вы­носливости, то есть наибольшим напряжением, которое может выдер­жать металл без разрушения заданное число раз (для стали — 5 млн. цик­лов, для легких литейных сплавов — 20 млн. циклов).

Наиболее явно циклические нагрузки выражены в машинах и механиз­мах с возвратно-поступательным движением (поршневые машины, шатунно-кривошипные группы, кулачковые механизмы).

При статической нагрузке величина концентрации напряжения зависит от степени пластичности материала. У пластичных материалов явление концентрации напряжения выражено слабо. При повышении напряжения в зоне ослабления такие материалы переходят в состояние текучести. Хруп­кие материалы при переходе местных напряжений за предел прочности разрушаются.

При циклических нагрузках явление концентрации напряжений выра­жено значительно сильнее.

На практике повышение усталостной прочности деталей достигают как технологическими, так и конструктивными способами.

К технологическим способам относятся термическая и химико-термическая обработка сталей, дробеструйная обработка и накатывание деталей ро­ликами, алмазное выглаживание (уплотнение поверхности скругленным алмазным инструментом), ультразвуковое упрочнение и т. д. Например, на­катывание резьб повышает прочность детали в 1,5...2 раза и практически устраняет концентрацию напряжений у основания резьбы.

Конструктивные способы повышения усталостной прочности деталей не всегда полностью могут устранить концентраторы напряжений. В таких случаях стремятся заменить резкие концентраторы умеренно действую­щими.