Глава 2. Механические свойства сплавов

2.1 Понятие конструкционная прочность материалов и критерии её оценки

Факторы, которые определяют работу конструкционных материалов:

• статические, циклические и ударные нагрузки;

• низкие и высокие температуры;

• контакт с различными средами.

Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых – эксплуатационные, технологические, экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Надо помнить, что требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

Рабочая среда – жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, как правило, оказывает отрицательное влияние на механические свойства материала (коррозионное растрескивание, окисление, изменение химического состава и как результат охрупчивание и т.д.)

Температурный диапазон от -269 до 2000^оС. От материала требуется – жаропрочность, а при низких температурах – хладостойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоёмкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризует возможные методы его обработки. Она оценивается: обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. От неё зависят производительность и качество изготовления детали.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Использование материалов, содержащих легирующие элементы (особенно дефицитные), должно быть обоснованно повышением эксплуатационных свойств детали. Эти требования приобретают особое значение при массовом масштабе производства.

Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев:

• прочности;

• надёжности;

• долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы.

При статических нагрузках, при испытании на растяжения, предел прочности (σ_в) или предел текучести (σ_0,2, σ_т) – характеризуют сопротивление материала пластической деформации (рис.2.1). Для приближенной оценки статической прочности используют твёрдость НВ или НR (рис.2.2, 2.3) (для стали справедливо эмпирическое соотношение σ_в = НВ/3).

Рис.2.1 Испытание на растяжение

Рис.2.2 Измерение твёрдости по Бринеллю

При циклических нагрузках: предел выносливости σ_R (при симметричном круговом изгибе σ_-1).

Надо помнить – чем больше прочность материала, тем большие допустимые рабочие напряжения и тем самым меньшие размеры и масса детали.

Однако – повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций:

ε_упр = σ_упр/Е,

где Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга), характеристика жёсткости металла. Именно критерии жёсткости, а не прочности обуславливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов приборов, важно обеспечить большие упругие перемещения. Тогда от материала требуется высокий предел упругости σ_упр и низкий модуль упругости Е.

Рис.2.3 Измерение твёрдости по Роквеллу

Дополнение: для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет эффективность материала по массе. Она оценивается удельными характеристиками:

• удельной прочностью σ_в/ρg (ρ – плотность, g – ускоренное свободное падение);

• удельной жёсткостью Е/ ρg.

Примечание: для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.

Вывод – в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в конкретных условиях эксплуатации.

Надёжность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению (внезапному отказу).

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать:

• достаточной пластичностью δ, % и ψ, %;

• ударной вязкостью КСU (МДж/м²) рис.2.4, рис.2.5

Рис. 2.4 Маятниковый копёр для определения ударной вязкости

Рис.2.5 Испытания на ударную вязкость

Однако эти параметры определены на лабораторных образцах, без учёта реальных условий эксплуатации конкретной детали. Необходимо учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения:

• концентраторы напряжений (надрезы);

• понижение температуры;

• динамические нагрузки;

• увеличение размеров деталей (масштабный фактор).

Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость.

Трещиностойкость – группа параметров надёжности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчётные напряжения.

Для трещины длиной l и радиусом r напряжения в вершине:

σ_у^mах = σ_ср 2√ l/ r

Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее её вершина. Для пластичных материалов опасность таких дефектов не велика. Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам.

Оценку надёжности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (трещины) проводят по критерию Ж.Ирвина (К).

К = σ_ср √ α π l_кр , (МПа х мм^1/2 )

где π – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

К – критерий вязкости разрушения, зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (её затуплении) и характеризует развитие вязкой трещины. Чем он больше, тем выше надёжность материала.

Для оценки надёжности материала используют также параметры:

• ударную вязкость КСU, КСV, КСТ (МДж/м²);

• температурный порог хладноломкости Т₅₀ .

Параметром КСV оценивают пригодность материала для сосудов давлении, трубопроводов и других конструкций повышенной надёжности.

Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он учитывается при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин).

Порог хладноломкости Т₅₀ - характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре (рис.2.6). Т₅₀ – обозначает температуру при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается на половину.

Рис.2.6 Температура Т_хл. (Т₅₀) порог хладноломкости

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса).

Постепенный отказ – потеря материалом работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий.

Причины потери работоспособности, т.е. постепенного отказа:

• развитие процессов усталости;

• изнашивание;

• ползучести;

• коррозии;

• радиационного разбухания и пр.

Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжения. Цикл напряжения – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями σ_maх и σ_min в течение периода Т.

Синусоидальный цикл изменения напряжения характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σ_min / σ_maх; амплитудой напряжения σ_a = (σ_maх - σ_min) /2; средним напряжением цикла σ_m = (σ_maх + σ_min) /2.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойства противостоять усталости – выносливостью (рис.2.7).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке;

2. Разрушение начинается на поверхности локально;

3. Разрушение протекает в несколько стадий и имеет характерное строение излома:

   • очаг зарождения трещины;

   • зону усталости. В это зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости.

   • зону долома.

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости: σ_maх от числа циклов нагружения N. Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченного большого числа циклов. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости σ_R (R – коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле σ_-1.

Ри.2.7 Испытание на выносливость

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

• циклическую прочность – наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определённое время работы. Ограниченный предел выносливости;

• циклическую долговечность – число циклов (часов), которое выдерживает материал до образования усталостной трещины или до усталостного разрушения при заданном напряжении.

Циклическая прочность и долговечность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряжённое состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной среды. (Отверстия, канавки, проточки, риски, поры, раковины, неметаллические включения и др.).

Дополнительные критерии выносливости:

1. живучесть – определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). При высокой живучести можно своевременно путём дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу.

2. износостойкость – свойство материала оказывать в определённых условиях трения сопротивление изнашиванию. Износ – процесс постепенного разрушения поверхностных слоёв материала путём отделения его частиц под влиянием сил трения. Его определяют по изменению размеров, объёма или массы. Существует три периода износа:

• начальный, период приработки;

• период установившегося (нормального) износа;

• период катастрофического износа. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может катастрофически быстро разрушаться в других.

Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки.

3. ползучесть – определяется скоростью развития пластической деформации материала при постоянном напряжении и при высоких температурах.

Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

1. критерии прочности σ_в, _σ0,2, _σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;

2. модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. её жёсткость;

3. пластичность δ, ψ, ударная вязкость КСТ, КСV, КСU, вязкость разрушения К, температурный порог хладноломкости Т₅₀, которые оценивают надёжность материала при эксплуатации;

4. циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

2.2 Методы повышения конструкционной прочности

1. Технологические.

2. Металлургические.

3. Конструкторские.

Технологические. Цель – повышение прочности материала. Методами: легирования, пластической деформации, термической, термомеханической и химико-термической обработки. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов:

• увеличение плотности дислокаций. Чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому деформированию;

• создание дислокационных барьеров в виде границ зёрен, субзёрен, дисперсных частиц вторичных фаз. Важная особенность этого фактора упрочнения состоит в том, что измельчение зёрен (увеличение протяжённости их границ) сопровождается повышением ударной вязкости. Сильное торможение дислокаций создают дисперсные частицы вторичной фазы.

• образование полей упругих напряжений искажающих кристаллическую решётку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов – вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих элементов. Образования атмосфер Коттрелла атомами внедрения.

Вместе с тем повышение прочности, основанное на уменьшении подвижности дислокаций, сопровождается уменьшением пластичности, вязкости и тем самым надёжности.

Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т. е. надёжность материала.

Например, в углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском можно получить при содержании 0,4%С Ϭ_B ~ 2400МПа, при 0,6%С Ϭ_B ~ 2800МПа. Однако при такой прочности стали хрупки (КСТ ~ 0), эксплуатационно не надёжны.

Рациональное легирование предусматривает введение в сталь и сплавы нескольких элементов при невысокой концентрации каждого с тем, чтобы повысить пластичность и вязкость. Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой, особенно при использовании высокоскоростных способов нагрева – индукционного и лазерного.

Для повышения циклической прочности и износостойкости важно затруднить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, ХТО, поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами).

Металлургические. Цель – повышение чистоты металла и сплава, т.е. удаление вредных примесей: серы, фосфора, газообразных элементов (кислорода, водорода, азота и зависящих от содержания неметаллических включений).

Методы переплава: вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумно-индукционную плавку (ВИ), рафинирование синтетическим шлаком.

Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряжённых деталей. При их проектировании избегают – резких перепадов жёсткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Если этого избежать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.