1. Технические условия и стандарты

В ходе проектирования инженер, ответственный за принятие окончательного решения о выборе материала, должен учитывать соответствующие технические требования к изделиям, данные спецификаций и стандартов и ссылаться на них. Особенно это от­носится к военным разработкам. Конструктор должен гарантиро­вать соответствие изделия стандартам и должен убедиться, что используемые стандарты гарантируют удовлетворительную рабо­ту изделия.

Для всестороннего соблюдения функциональных требований к правильно изготовленному изделию конструктор должен учиты­вать технические данные как самого изделия, так и соответст­вующего материала. Технические условия на изделие определяют его конструктивное решение, материал, допуски, способы изго­товления и другие требования к материалам и видам обработки. Разработчик должен связать эти требования непосредственно с механическими, физическими и химическими свойствами, ко­торым должно соответствовать конечное изделие.

В основном поведение материала определяется дефектами структуры, т. е. отклонениями от правильного кристаллического строения, влияющими на последующие изменения в строении и структуре материала под действием механических, термических, термомеханических, коррозионных и коррозионно-механических нагрузок. Благодаря знанию механизмов, определяющих свойст­ва материалов, поведением их можно управлять.

Предпосылками к целенаправленному и научно-системати- зированному приспособлению материалов к специфическому на­бору требований являются основополагающие физико-химические знания и набор необходимого научного оборудования. Это, на­пример, рентгеноскопическая электронная микроскопия, растро­вая электронная микроскопия, электронно-лучевые микрозонды и видимая спектроскопия, мессбауэр-спектроскопия, рентгеновское исследование микроструктуры и напряженного состояния.

Физико-химические свойства

Физические свойства определяют поведение материалов в теп­ловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных по­лях. Из важных физических свойств можно выделить теплопро­водность, плотность, коэффициент линейного расширения. Низкая теплопроводность уменьшает теплопритоки и придает материалу теплоизолирующие свойства, а высокая теплопроводность способ­ствует снижению температурных градиентов в изделиях. Для ле­тательных аппаратов большое значение имеет уменьшение массы конструкции, поэтому для них целесообразно использовать мате­риалы с большой удельной прочностью, которая определяется от­ношением прочности материала к его плотности. В этом отноше­нии более перспективными материалами являются алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, а также композиционные мате­риалы. Применение в соединениях деталей из различных мате­риалов обусловливает необходимость учета их термических коэф­фициентов линейного расширения.

Под химическими свойствами понимают способность материа­лов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Детали любого изделия должны быть совмес­тимы с рабочей средой. Коррозия, коррозионная усталость, корро­зия под напряжением, водородное охрупчивание и т. д. могут вы­звать повреждения в металле и привести конструкцию к хрупкому разрушению. Для криогенных конструкций важное значение име­ет влияние химического взаимодействия низкокипящих продуктов (жидкий кислород, водород и др.) со сплавами, из которых изго­тавливаются эти конструкции. Такие химически активные метал­лы, как титан и его сплавы, магниевые сплавы, алюминиевые сплавы при ударном нагружении, могут самопроизвольно загорать­ся при контакте с жидким кислородом.

Наиболее часто встречающиеся виды отказов включают в себя коррозию, образование трещин и усталостное разрушение.

Коррозия - это разрушение материала при взаимодействии с окружающей средой. Материалом обычно является металл и взаимодействие в большинстве случаев имеет электрохимиче<:_Ку_Ю природу. К наиболее важным видам коррозии относятся:

Коррозионное растрескивание и питтинговая коррозия. 1} _не_ ржавеющих сталях питтинг происходит в ограниченных облао_тях особенно в расщелинах. Питтинг и щелевая коррозия обычно на­блюдаются в пассивных металлах, таких, как алюминий и ал1_0ми. ниевые сплавы, нержавеющие стали и сплавы на основе никел_Я-

Коррозия под напряжением. В этом процессе одновременное воздействие агрессивного коррозионного агента и непрерыв_110Г0 растягивающего напряжения способствуют развитию трещ;_{1н в} металле. Материалы, подверженные коррозии под напряжением не деформируются до момента разрушения. Это хрупкое разру­шение обычно происходит перпендикулярно действующим _на_ пряжениям.

Коррозия и эрозия. В этом процессе разрушение вызвано ком­бинацией коррозии и эрозии. Эрозия - постепенный унос Мате­риала с твердой поверхности из-за механического взаимодейст_вия между поверхностью и жидкостями, газами, твердыми частиц_ами или комбинацией этих сред. Коррозия и эрозия могут происхо­дить в орудийных стволах, газовых турбинах двигателей и со^_лах ракет.

Коррозия металла под органическими покрытиями. Для обо­рудования наиболее важный тип этого отказа - блистеринг, _или образование вздутий и пузырей на окрашенной или анодиро_ван_ ной поверхности. При блистеринге на окрашенной поверхнос;_{ти в} дальнейший процесс вовлекаются прилегающие области, в кото­рых покрытие отделилось от металла. Влага скапливается в этих ограниченных областях, в результате чего может иметь Место коррозия. Влага является основной причиной блистеринга _ок_ рашенных поверхностей и покрытий. Анодированные покрьи-ия разрушаются при прохождении анодных реакций коррозии _ПОд их слоем. Нитевидная коррозия, которая проявляется в ^иде тонких нитей на поверхности, является внешней формой рас­сматриваемого коррозионного разрушения.

Два важных типа разрушения покрытий представляют адге­зивное и когезивное разрушение. При адгезивном разруше^_ии> которое имеет тенденцию развиваться в прочных покрытиях _{э на}_ рушается их сцепление с материалом и покрытие отслаивается ₀т

поверхности в виде пленки. Когезивное разрушение - явление, при котором покрытие только частично твердо прилегает к под­ложке. Когезивное разрушение происходит, когда материал по­крытия имеет меньшую собственную прочность по сравнению с прочностью сцепления.

Микробиологическая коррозия. Этот тип отказа вызывается микроорганизмами, особенно бактериями и грибками. Бактерии, которые были недавно обнаружены с использованием различных средств наблюдения и исследования, активно влияют на коррозию алюминия. Грибки могут служить причиной коррозии органиче­ских покрытий, особенно на алкидной основе. Важно отметить, что наиболее серьезные коррозионные разрушения происходят под влиянием как внешних факторов (окружающая среда), так и механических нагрузок.

В табл. 42.1 сопоставлена коррозионная стойкость материа­лов, используемых в качестве болтовых стыковых соединений.

Таблица 42.1

Коррозионностойкие материалы

Материал

Характеристики

Сталь с по­крытием

Аустенитные

Ферритные

Мартенситные

Дисперсионно-

твердеющие

Предел прочности при растяжении 550-860 МПа. Стой­кость к атмосферной коррозии низкоуглеродистых, сред­неуглеродистых и низколегированных сталей может быть повышена применением покрытий.

Нержавеющие стали

Предел прочности при растяжении 480-830 МПа. Аусте­нитные стали широко распространены и более коррози­онностойки, чем 3 последующих вида. Немагнитны, не подвергаются термообработке, но подвергаются холодной обработке. Хорошие высоко- и низкотемпературные свой­ства. Так, сталь 12Х18Н10Т (AISI 321) может быть ис­пользована при температуре до 700 °С

Предел прочности при растяжении 480 МПа. Не могут быть термообработаны, но подвергаются холодной обра­ботке. Магнитные

Предел прочности при растяжении 480-1240 МПа. Тер­мообрабатываемые. Магнитные. Подвержены коррозии под напряжением при неправильной обработке Предел прочности при растяжении 930 МПа. Термообра­батываемые. Более пластичны, чем мартенситные не­ржавеющие стали

Сплавы на никелевой основе

Ni-Cu Ni - Си - А1

Предел прочности при растяжении 480-550 МПа. Под­вергается холодной обработке. Пример: монель Предел прочности при растяжении 900 МПа. Подверга­ются холодной обработке и термообработке. Хорошие низкотемпературные свойства. Пример: К-монель

Титановые

сплавы

Предел прочности при растяжении 930-1400 МПа. Хо­рошая коррозионная стойкость. Низкий коэффициент деформации. Имеют более низкую износостойкость по сравнению с другими коррозионностойкими материала­ми. Дорогостоящие. Пример: Ti - 6А1 - 4V Суперсплавы Предел прочности при растяжении 1000-2000 МПа. Вы­сокопрочные материалы с хорошими свойствами при вы­соких и низких температурах. Используются в первую очередь в аэрокосмической промышленности. Дорого­стоящие. Некоторые материалы практически не подвер­жены влиянию морской среды и коррозионному растрес­киванию. Особенно рекомендуются для криогенного при­менения

Цветные

металлы

Многие цветные металлы обеспечивают выдающуюся коррозионную стойкость в условиях, когда обычные кон­струкционные материалы подвержены разрушению. Ос­новной недостаток таких материалов состоит в недоста­точности общей прочности, однако она может быть воз­мещена использованием крепежа большего размера или большего количества крепежа. Примеры: кремнистая бронза, с пределом прочности на растяжение 480-550 МПа; алюминий и его сплавы с пределом прочности на растяжение 90-400 МПа

В табл. 42.2 представлены различные типы сред, вызываю­щих растрескивание от коррозии под напряжением (SCC) некото­рых материалов.

Проектировщики должны представлять методы, способные минимизировать влияние коррозии в процессе эксплуатации изделия. Подходы, предотвращающие коррозию, показаны на рис. 42.4-42.6.

Пример гальванической (электрохимической) коррозии, ко­торая возникает при контакте разных материалов, приведен на рис. 42.4. Рис. 42.5 показывает пример очевидной предохрани­тельной техники использования изолирующих материалов (уплот­нения, шайбы и прокладки) для предотвращения контакта разных

Среды, способные вызвать коррозионное растрескивание под напряжением

Материал	Среда
Алюминиевые сплавы	Растворы NaCl / Н202 Растворы NaCl Морская вода Воздух Водяной пар
Углеродистые стали	Растворы NaOH Растворы нитратов H2S04 / HN03 Растворы HCN Расплавы Na/Pb сплавов
Медные сплавы	Растворы и пары аммиака Амины Вода, водяной пар
Сплавы золота	Растворы FeCl j Растворы уксусной кислоты и ее солей
Свинец	Растворы ацетата свинца
Никель	Ртуть Сера
Нержавеющие стали	Растворы хлоридов H2S Растворы NaOH
Титановые сплавы	Красная дымящая азотная кислота Морская вода

материалов и последующей гальванической коррозии. Рис. 42.6

Стальная

заклепка

иллюстрирует использование сварки для предотвращения по­явления коррозионных трещин (раковин с повышенной концен­трацией кислорода). Заварива­ние небольшого отверстия меж­ду элементами арматуры пре­дотвращает этот вид коррозии, так как сварка эффективно пре­дупреждает развитие разной кон­центрации кислорода в районе трещины.

Рис. 42.4. Пример гальванической кор­розии

Медь

Изолирующая шайба

Изолирующая прокладка

5

Рис. 42.5. Метод предотвращения гальванической коррозии между разнородны­ми металлами

$

Изолирующая втулка

N—Алюминий Изолирующая шайба

Условия работы конструкции необходимо учитывать при про­ектировании для предотвращения возникновения растрескива­ния от коррозии под напряжением (SCC) и водородной хрупкости. В коррозионностойких сталях коррозионно-механическое растрес­кивание является следствием неправильного сочетания сплавов, постоянного механического напряжения и высокой температуры окружающей среды.

Излом, характеризующий разрушение, может быть хрупким или вязким. Хрупкое разрушение происходит без заметной пла­стической деформации. Хрупкое разрушение характерно для крупных, толстостенных конструкций при больших нагрузках. Разрушение от коррозионного растрескивания может быть оха­рактеризовано как хрупкий излом, если деформация не наблю­дается до момента разрушения.

Особенностью вязкого разрушения является то, что оно про­исходит при перегрузке под углом 45° к действующему напряже­нию. Разрушающийся металл при этом пластически деформиру­ется до разрыва.

Усталость является одной из основных причин разрушения конструкций. Усталостное разрушение происходит при повторяю­щихся переменных нагрузках деталей. Усталостные диаграммы, называемые (су - Л^-кривыми, используются проектировщиками,

Корродирующая

Рис. 42.6. Сварка как способ предотвращения коррозионного растрескивания

растрескивание

, Сварка

Взаимосвязь вида разрушения и свойств материалов.

Закрашенный блок на пересечении линий свойств материала и видов разрушения указывает на влияние

данного свойства материалов на вид разрушения

Свойства материала Вид разрушения

[редел прочности ри растяжении

[редел текучести

[редел прочности ри сжатии

Предел текучести ри сдвиге

сталостные зойства

[ластичность

дарная вязкость

еплопроводность

[одуль упругости

коэффициент олзучести

язкость азрушения Къ

Вязкость разрушения при коррозии под напряжением K]sc с

лектрохимический отенциал

л н о о ct а 0) и

оэффициеят 5ПЛ0В0Г0 асширения

К И

С

М и

С В

о

С

>>

2

К С

CQ а

СЪ С

н

Критическая текучесть

■

■

ш

Коробление

Ползучесть

■1

iHI

1111

Хрупкое разрушение

щш

Hill

Усталость малоцикловая

шш

Усталость многоцикловая

Ш111

|||||

Усталость контактная

ШШШ

Фреттинг

1111

iiii

Коррозия

Коррозионное растрескива­

১

ние под напряжением

Яш!

IBl

Гальваническая коррозия

llll

Водородная хрупкость

lllll

Ш

Износ

Температурная усталость

ini

Коррозионная усталость

Ш

ilit

чтобы предсказать поведение составляющих конструкции, под­верженных переменным нагрузкам. На этих кривых приведена зависимость числа циклов перед разрушением N от номиналь­ных нагрузок.

Важность определения свойств материалов для оценки пове­дения компонентов конструкции показана в табл. 42.3, которая обобщает некоторые из наиболее часто наблюдаемых в конструк­ционных материалах видов разрушений. Она также связывает виды разрушений со свойствами материалов, имеющими наи­большее влияние для оценки вероятности данного вида разруше­ния во время работы изделия.

Механические свойства

Основой выбора материалов для создания надежной и работо­способной техники являются их механические свойства, в первую очередь прочностные, которые характеризуют способность мате­риалов сопротивляться деформации и разрушению под действием различного рода нагрузок, в разных средах и при различных тем­пературных условиях.

Расчет конструкции на прочность производят по допустимым напряжениям [су], определяемым из условий прочности при ста­тическом нагружении или долговечности при циклическом на­гружении. При статическом нагружении допускаемое напряже­ние равно отношению предельного для данного материала напря­жения к коэффициенту безопасности, т. е. к коэффициенту запаса прочности п. Для пластичных материалов за предельное напря­жение принимают предел текучести, для квазихрупких - времен­ное сопротивление:

[су] = су/гс, или [ст] = <туп_в

Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов: разброса характеристик прочности; присутствия в ма­териале дефектов, допускаемых техническими условиями; степе­ни схематизации расчетной процедуры и т. д.

В России за допускаемое принимается минимальное напряже­ние, определяемое по пределу текучести или временному сопро­тивлению. Такая же методика принята во многих странах. Одна­ко в некоторых странах, например в Чехии, Словакии, Германии, Польше, для определения допускаемых напряжений расчет ве­дется только по пределу текучести, а в Японии — только по вре­менному сопротивлению.

Коэффициент запаса прочности может меняться в широких пределах в зависимости от условий работы оборудования и опы­та работы с данным материалом.

По данным отечественной практики, рекомендуемые значе­ния коэффициентов запаса для серийных материалов обычной техники составляют: п_т = 1,5 и п_в = 2,4.

Для сосудов и аппаратов, работающих под давлением, коэф­фициент запаса по пределу текучести находится в пределах от 1,5 до 1,65, а по временному сопротивлению - от 2,35 до 4.

Однако расчеты на прочность конструкций по номинальным напряжениям с учетом коэффициентов запаса не всегда гаранти­руют необходимый ресурс их работы. Это связано с тем, что на­значаемые запасы прочности не учитывают ряда факторов, ко­торые способствуют возникновению повреждений и разрушений несущих элементов конструкций и машин. К этим факторам отно­сятся: присутствие в металле дефектов типа трещин, как исход­ных, так и возникающих в процессе эксплуатации; наличие микро- и макронеоднородностей металла по толщине, в зонах сварных швов и т. д.; появление локальных напряжений вследствие их концентрации, а также остаточных технологических напряже­ний; нестабильность эксплуатационного нагружения из-за статиче­ских и импульсных перегрузок, стационарных и нестационарных циклических нагрузок. Для учета этих факторов необходим пере­ход от расчета по номинальным напряжениям к анализу локаль­ных напряжений, возникающих в отдельных зонах изделия.

Для высокопрочных и среднепрочных материалов расчет до­пустимых значений следует проводить на основе принципов ме­ханики разрушения с учетом максимальных размеров дефектов. Это связано с тем, что повышение прочности обычно сопровожда­ется уменьшением пластичности и вязкости материала.

Конструктор должен оценить характеристики механики раз­рушения - неотделимую составляющую в процессе исследования механических свойств.

Важным элементом подхода механики разрушения является использование коэффициента вязкости разрушения при пло­ской деформации (К_1с). Знание коэффициента вязкости разруше­ния при плоской деформации может помочь проектировщику при предварительном анализе поведения конкретной конструк­ции в случае начавшегося разрушения. Знание величины на­пряжения или интенсивности изменения напряжения, необхо­димых для роста трещины, так же, как определение скорости роста самой трещины, исключительно важно. К_1с прямо связан с затратой энергии, необходимой для начала развития трещины. Другим важным свойством К_1с является то, что его величина не зависит от формы и размеров образца - это свойство материала. При других оценках надежности металла (таких как ударная вязкость) результат зависит от геометрии образца. Для боль­шинства конструкционных материалов К_1с обратно пропорцио­нален пределу текучести.

Пластичность характеризует способность материала к пла­стическому течению при превышении предела текучести, а вяз­кость - способность поглощать энергию внешних сил при разру­шении.

У разных материалов соотношение пластичности и вязкости может очень сильно различаться. Например, алюминий имеет малую вязкость при высоком относительном удлинении. Наобо­рот, термообработанная (улучшенная) легированная сталь при сравнительно небольшом относительном удлинении может иметь высокую вязкость.

Пластичность и вязкость в конструкторские расчеты не вхо­дят и являются качественными показателями.

Пластичность показывает способность металла к перерас­пределению напряжений в зонах концентрации (пиков). Пласти­ческая деформация как бы предохраняет металл от резких ло­кальных перегрузок вблизи концентраторов напряжений. В ма­шиностроении принято считать пластичность конструкционной стали удовлетворительной, если относительное удлинение метал­ла 5₅ > 15 %.

Широко принятым критерием работоспособности металличе­ских сплавов и сварных соединений, особенно используемых при низких температурах, является ударная вязкость, определенная на образцах с надрезом. При этом определенную сложность пред­ставляет выбор необходимого уровня ударной вязкости и вида об­разцов для ее оценки. В разных странах принят различный гаран­тированный уровень ударной вязкости. За рубежом сталь обычно допускается к эксплуатации, если ее ударная вязкость, опреде­ленная на образцах типа Шарпи размером 10x10x55 мм с надре­зом радиусом 0,25 мм, составляет KCV > 30 Дж/см².

Надежность конструкций, работающих в условиях много­кратного подъема и сброса давления, зависит от сопротивления материалов усталостному разрушению. Поэтому для таких изде­лий проводятся имитирующие циклические испытания стандарт­ных образцов либо циклические стендовые испытания. База ис­пытаний выбирается в зависимости от условий эксплуатации оборудования.

Металл установок или изделий, подвергаемых многократному нагреву или захолаживанию, испытывается на сопротивление тер­мической усталости.

В случае длительного нагружения конструкций при высоких температурах производятся испытания ползучести и длительной прочности материала.

При циклическом или длительном статическом нагружении номинальные эксплуатационные напряжения выбираются с вве­дением коэффициентов запаса п_а и п_п по пределам длительной прочности и ползучести. Коэффициенты п_д и п_п обычно имеют зна­чения в пределах 2,0-3,5.

Выбор материалов с особыми механическими и физическими свойствами

Выбор из серий возможных материалов может быть более эф­фективным при внимательном рассмотрении особых механиче­ских и физических свойств. Для военной и гражданской аэрокос­мической техники необходимыми свойствами конструкционных материалов являются: малая плотность, износостойкость, высо­кий предел текучести или пропорциональности, высокий модуль упругости и особые характеристики теплового расширения, осо­бенно в отношении соединений металл - стекло.

Таким образом, конструкторы военных и гражданских аэро­космических устройств обычно заинтересованы в выборе легких материалов с высокими характеристиками удельной прочности и удельной жесткости. Сравнение различных материалов на базе отношения модуля упругости к плотности и предела текучести к плотности приведено на рис. 42.7.

100

75

50

25

25 50 75 100 125 150 175

Удельная жесткость • 10 ², км

Рис. 42.7. Отношение предела текучести к плотности и модуля упругости к плот­ности для различных материалов

Одной из основных целей развития новых композитных структур для аэрокосмических конструкций является оптимиза­ция весовых характеристик. Активное применение современных композитов в авиационных конструкциях привело к существен­ному снижению их массы, особенно в военных самолетах. Напри­мер, использование борэпоксидного композита вместо алюминия в горизонтальном стабилизаторе самолета F-14 привело к сниже­нию массы стабилизатора на 26 %.