16_Vliyanie_faktorov_1620033 (Самая полная теория к экзамену 2017)

Влияние различных факторов на механические характеристики материалов при растяжении и сжатии.

Состояние внешней Среды и условия нагружения могут в значительной степени влиять на физико-механические свойства материала. Отметим некоторые из них.

3.9.1 Влияние скорости нагружения (фактора времени).

Под скоростью деформации - * будем понимать изменение деформации во времени

* = = =

На обычных статических машинах, при испытаниях материалов, реализуется скорость деформации в диапазоне

* = 10^-4 - 10^-1 1/сек

На динамических испытательных машинах скорость деформации достигает

* = 10⁴ 1/сек

Эксперименты показывают, что чем быстрее проводится Нагружение, тем большая нагрузка требуется для разрушения.





Рис. 3.10

Приведенные кривые растяжения одной и той же стали при статическом и динамическом нагружениях показывают повышение предела упругости и предела текучести.

Приведем количественные данные, полученные для меди:

*₁ = 10^-4 1/сек _о = 30 МПа

*₂ = 10^-2 1/сек _b = 1.05 _о

*₃ = 10³ 1/сек _b = 1.19 _о

3.9.2 Прочность материалов при высоких и низких температурах.

Как показывают эксперименты, воздействие стационарных температурных полей, может оказывать значительное влияние на прочностные свойства материалов. Диапозон изменения действующих температур на элементы конструкции лежат на интервале от абсолютного нуля - 273,3⁰ С (для криогенных установок) до 2000⁰С и выше в камере сгорания ЖРД.

Общий характер влияния температуры на механические свойства материалов таков, что с повышением температуры пределы текучести и прочности понижаются, причем предел прочности для некоторых материалов может понижаться быстрее, чем предел текучести. К материалам, работающим в этих условиях предъявляются одновременно требования жаропрочности и жаростойкости.

Жаропрочными называются материалы, способные при высоких температурах иметь достаточно высокие значения предела прочности и предела текучести.

Жаростойкость - способность материала сопротивляться окислению (газовой коррозии) при высоких температурах.



1

2

700 Т⁰ С

Рис. 3.11

Схематично изменение механических свойств жаропрочных сталей и сплавов при высоких температурах показан на рис. 3.11, здесь 1 - предел прочности, 2 - предел текучести.

Понижение температуры ниже 0⁰С приводит для многих сталей к повышению предела прочности и текучести с одновременным снижением пластичности. Вместе с тем, в цветных сплавах, как правило, наблюдается заметное повышение пластичности с понижением температуры. В приведенной ниже таблице даются характеристики некоторых материалов при пониженных температурах.

Таблица № 5

	в Мпа			 %
	170 С	-1960 С	-2530 С	170 С	-1960 С	-2530 С
сталь	370	730	840	35	4	0
алюминий	120	210	350	29	42	45
медь	240	380	460	29	41	48
молибден	490	540	540	3	0	0
Д - 16	400	520	680	15	16	16

3.9.3 Термообработка материала.

Термическая обработка заключается в изменении структуры и свойств сплавов без изменения химического состава путем сочетания определенных режимов нагревания и охлаждения.

Общую схему простейшей термообработки можно представить в таком виде (рис. 3.12)

2

Т⁰

3

1

t

Рис. 3.12

Здесь 1 - нагрев, 2 - выдержка, 3 - охлаждение.

При термообработке достигается упрочнение, разупрочнение, устранение внутренних напряжений, изменение физических свойств (электрических, магнитных), повышение коррозионной стойкости.

Основным видом термообработки являются отжиг и закалка.

Для отжига характерны длительная выдержка при температуре нагрева и последующее медленное охлаждение. В этом случае в значительной степени снимаются внутренние напряжения.

Закалка характеризуется тем, что нагретый до определенной температуры материал, затем быстро охлаждается. Этот прием увеличивает прочность материала и уменьшает его пластичность.

Сталь - хромансиль 30ХГСА в отожженном состоянии имеет

_в = 600 МПа,  = 15% , Н_в = 1700 МПа.

После закалки приобретает следующие свойства

_в = 1800 МПа,  = 5% , Н_в = 5000 МПа.

Дюралюминий - Д-16 после отжига имеет

_в = 230 МПа, Н_в = 500 МПа.

После закалки и старения получаем

_в = 450 МПа, Н_в = 1000 МПа.

3.9.4 Влияние радиационного излучения.

Детали атомных реакторов, приборов используемых в них, испытывают интенсивное воздействие радиационного излучения. При этом обнаружено, что это влияние настолько существенно, что его нельзя не учитывать при расчете и конструировании.

Основными видами излучения являются нейтронная радиация,  - лучи,  - и  - частицы.

Металлические материалы при воздействии радиационного излучения претерпевают фазовые превращения, изменяют химический состав и физические свойства.

Механизм радиационного повреждения довольно сложен и зависит от типа излучения и от характеристик облучаемого вещества.

Механизм, в частности, нейтронного облучения схематично можно представить следующим образом. Нейтрон при движении выбивает атомы металлов из узлов кристаллической решетки. Большое количество атомов оказывается внедренными между узлами кристалла. Подсчитано, что при интенсивном нейтронном облучении смещенными оказываются до 5 % атомов.

Образование большого числа вакансий и внедренных атомов сильно изменяет упруго-пластические свойства материалов. Помимо этого вокруг траектории перемещения нейтрона атомная решетка приходит в интенсивное колебательное движение, соответствующее высокой температуре - 10000⁰ С с последующим быстрым затуханием - 10 ^-10 сек.. Это дает местный эффект, аналогичный закалке. Нарушение кристаллической решетки приводит к образованию начальных напряжений.

Ниже показаны диаграммы растяжения образцов из алюминиевого сплава,

 2

1



Рис. 3.13

где 1 - необлученный образец, для которого имеем

_0,2 = 48 МПа, _в = 95 МПа,  = 38%

2 - облученный образец

_0,2 = 120 МПа, _в = 183 МПа,  = 21%

Модуль упругости металлов изменяется слабее, всего на 10 % .

Изменения механических характеристик металлов, вызываемые нейтронным облучением, как правило, оказываются устойчивыми при комнатных температурах. Изменения свойств материала, полученные при облучении, можно полностью или частично снять путем отжига.

Пластмассы, которые находят широкое применение в ядерной технике в качестве конструкционных материалов, оказываются в большинстве более чувствительными к облучению, чем металлы. При этом наблюдается, как правило, сильное охрупчивание.

3.9.5 Коррозия материала.

Под коррозией будем понимать разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического воздействия на них внешней cреды.

Пример коррозии - окисление железа (ржавчина), окисление алюминиевых, магниевых, медных сплавов и т.д..

Виды коррозии - атмосферная, жидкостная, газовая.

При коррозии уменьшается прочность работающих деталей.

По характеру внешнего проявления коррозия бывает - равномерной, местной, межкристаллической.

Для защиты сталей от коррозии применяются металлические покрытия (цинк, олово), фосфатирование, воронение, азотирование, лакокрасочные покрытия, смазки и т.д..

Для защиты алюминиевых сплавов от коррозии используются методы, основанные на искусственном утолщении защитной окисной пленки – анодная обработка и химическое оксидирование, металлические покрытия, защита протекторами, лакокрасочные покрытия.

Магниевые сплавы обладают низкой коррозионной стойкостью и их защите должно быть уделено особое внимание. Наиболее широко применяется химическое оксидирование с последующим нанесением лакокрасочного покрытия.