Конструкционные и инструментальные материалы

ЧАСТЬ 3

Конструкционные и инструментальные материалы

Глава 1. Конструкционная прочность материалов

Конструкционная прочность – комплекс свойств, отражающие способность материалов надежно и долговечно работать в конкретных условиях эксплуатации.

Конструкционная прочность:

- работоспособность;

- надежность;

- долговечность.

Рекомендуемые материалы

§1. Критерии оценки работоспособности материалов в изделиях

Статическое нагружение:

1. Деталь нагружена σ_раб < σ_0,2 – тот критерий, которым пользуются при выборе материала.

2. Деталь нагружена σ_раб и образует опорную поверхность.

E_max:

        - станина станка, плотность высокая, d ~ 7,8 г/мм³,

          Е ~ 210000;

        - платформа гироскопа, плотность min, d ~ 1,85 г/мм³,

          Е ~ 310000;

3. Деталь нагружена σ_раб, пружины. σ_раб < σ_е:

             - силовая (рессора), σ_раб < σ_0,01, Е_max;

             - измерительная, σ_раб < σ_0,001, Е_min.

Итог: Критерии оценки работоспособности материалов могут быть разные, но в этом случае материал подбирается исходя из допустимой нагрузки или допустимой деформации.

§2. Критерии оценки надежности работы материалов в изделиях

Надежная работа материала – отсутствие внезапного разрушения при нагрузках, не превышающих расчетные.

Разрушение:

1. Вязкое, всегда сопровождается значительной пластической деформацией, требует значительной энергетических затрат, развивается постепенно.
2. Хрупкое, не сопровождается значительными пластическими деформациями, не требует энергетических затрат, развивается с огромной скоростью. V_трещ ~ 25000 м/с, является внезапным разрушением.

Материал может работать надежно, если он не склонен к хрупкому разрушению.

Хрупкое разрушение возможно, если:

1) применение высокопрочных материалов (низкая пластичность), δ, ψ - max;    

2) работа при ударных нагрузках (нет времени на перемещение дефектов), KCU, KCV – max, самый надежный вариант – KCU ≈ KCV;

3) работа при отрицательной температуре (в сталях и некоторых сплавах (в ОЦК-решетке) наблюдается явление хладноломкости), t_XB – порог хладноломкости, t_экс >> t_XB;

4) наличие в металле трещин или трещиноподобных дефектов (трещины в Ме есть всегда), Ме проверяется на трещиностойкость, т.е. насколько опасны дефекты для хрупкого разрушения.

     Ударные нагрузки:

     , где А – работа распределения трещины, F₀ – площадь сечения над трещиной, КСТ – max, самый надежный материал - KCU ≈ KCV ≈ КСТ.

Статическое нагружение:

где k – коэффициент интенсивности нагрузки.

1. Если Ме пластичен: в вершине трещины произойдет пластическая деформация, трещина затупится, напряжение понизится, трещина дальше не пойдет.
2. Если Ме непластичен: при нагружении в вершине трещины возникает упругая энергия и накапливается до тех пор, пока k не станет равным некоторой критической величине, т.е. произойдет быстрое самопроизвольное разрушение Ме, k = k_1c – вязкость разрушения:

1) k_1c = const для каждого конкретного материала;

2) для каждого материала существует конкретная связь между напряжением и длиной трещины, которая опасна:

   ;

3)

если в Ме есть трещина, но l < l_кр, k < k_1c, такая трещина не опасна;

4) чем пластичнее Ме, тем больше k_1c, тем он надежнее, тем большие трещины для него менее опасны.

Критерии оценки надежности оценивают материал на его склонность к хрупкому разрушению.

§3. Критерии оценки долговечности

В некоторых условиях работы материал повреждается постепенно. Повреждения накапливаются и могут преждевременно вывести деталь из строя.

Условия работы:

1) циклические нагрузки (усталость);

2) зона трения (износ);

3) в агрессивной среде (коррозия);

4) высокая температура + напряжение (ползучесть);

5) в зоне радиации.

Повреждения неизбежны, но с помощью соответствующих критериев можно подобрать материал, способный проработать дольше.

1. Циклическое нагружение

 - коэффициент асимметрии.

σ_R – физический предел выносливости – напряжение, нагружая ниже которого никакой усталости не наблюдается;

σ_R^N – условный предел выносливости – напряжение, которое Ме может выдержать в течении заданного количества нагружений.

Усталостное разрушение:

I – зона зарождения (всегда на поверхности или около концентратора напряжений возникает трещина);

II - зона распространения;

III – зона долома.

● Ме проверяется на чувствительность к концентрации напряжений,

   , K_σ – коэффициент концентрации напряжений,

   K_σ > 1 - наилучший вариант;

● Ме долго работает с трещиной, Ме испытывают на живучесть:

    - коэффициент живучести,

   τ₀ – время работы до появления трещины,

   τ_разр – полное время работы, β > 1 – выше живучесть.

1. Износ

Δh – линейный;

Δm – по массе;

ΔV – по объему.

I – зона приработки;

II – зона установившегося износа с малой скоростью;

III – катастрофический износ.

 - скорость износа, мкм/ч;

 - интенсивность износа, L – путь трения.

§4. Пути повышения критериев конструкционной прочности

1. Повышение прочностных свойств

Создать структуру, в которой затруднено перемещение дефектов:

1) наклеп – количество дефектов max;

2) дефекты – min;

3) твердые растворы;

4) измельчить зерно;

5) дисперсные частицы.

Наиболее целесообразный путь – это 4) или 5), или 4)+5), т.к. при этом одновременно с ростом пластичности сохраняется надежность материала.

1. Повышение характеристики надежности

В лекции "42 Схема управления горочными электроприводами" также много полезной информации.

1) устранить вредные примеси (S, P, As, Sb), при выплавке устраняется (либо чистая шихта, либо специальные переплавы). Уменьшение примесей улучшает все характеристики надежности, повышает цену;

2) измельчение зерна – улучшает все характеристики надежности

     (1) – мельче зерно;

     (2) – крупнее зерно;

3) повышение характеристик долговечности (см. далее в соответствующих разделах).