Конструктивная прочность

Увеличение прочности при сохранении достаточно высоких пластичности и вязкости повышает надежность и долговечность машин и понижает расход металла на их изготовление.

Это достигается созданием соответствующих композиций сплавов и технологий обработки. При этом происходит изменение состава и природы фаз, образующих сплав, их количества и размера, характера распределения дислокаций и других дефектов кристаллического строения. Поэтому устанавливают связь между структурной и конструктивной прочностью металлов и сплавов.

Принято различать техническую и теоретическую прочность металлов.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.

Исходя из кристаллического строения и межатомных сил, можно ориентировочно определить теоретическую прочность металла:

,

где G – модуль сдвига (для Fe G = 84 000 МПа).

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 – 1000 раз больше технической прочности. Это связано с дефектами в кристаллическом строении и, прежде всего, с существованием дислокаций.

Прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций. Как видно из рис. 1, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций r, приближенно составляющей 10⁶ – 10⁸ см^-2. Эта величина относится к отожженным металлам.

Если плотность дислокаций меньше величины а, сопротивление деформации резко увеличивается и прочность быстро приближается к теоретической.

В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содержащие дислокаций. Эти нитевидные кристаллы небольших размеров (длиной 2 – 10 мм и толщиной 0,5 – 2,0 мкм), называемые «усами», обладают прочностью, близкой к теоретической. Так, предел прочности нитевидных кристаллов железа составляет 13000 МПа, а предел прочности технического железа – 300 МПа.

Рис. 1. Схема зависимости сопротивления деформации от плотности дислокаций и других дефектов кристаллического строения металлов:

1 – теоретическая прочность; 2 – «усы»; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 – сплавы, упрочненные легированием, наклепом,

термической или термомеханической обработкой

При возрастании количества дефектов свыше 10⁶ – 10⁸ см^-2 происходит упрочнение металла вследствие взаимодействия дислокаций и торможение их движения.

Техническая прочность – способность материалов сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Высокая прочность сплавов характеризуется не только механическими свойствами, определяемыми при растяжении: временным сопротивлением (s_в), пределом текучести (s_т), пределом упругости (s_упр), и т.п. Высокопрочные материалы должны также иметь определенную пластичность (d, y), вязкость (KCU, KCV, KCT), необходимые пределы вязкости разрушения – коэффициент интенсивности напряжений при плотности деформации К _1с, температуру вязкохрупкого перехода (порог хладноломкости) Т _пр и др. Временное сопротивление s_в характеризуется сопротивлением материала значительным пластическим деформациям. С его ростом, как правило, увеличиваются предел текучести s_т и другие собственно прочностные характеристики. При этом во многих случаях предел текучести имеет большое значение для оценки работы конструкции, чем временное сопротивление. Однако повышение этих параметров прочности в конструкционных сплавах, как правило, сопровождается снижением параметров, определяющих пластичность и вязкость материала, т.е. способствует снижению параметров вязкости разрушения. В этом случае материал может разрушаться при малых нагрузках вследствие образования хрупкой трещины. Изделия, работающие в условиях знакопеременных нагрузок (усталости), могут разрушаться при напряжениях ниже временного сопротивления.

В этом случае прочность изделия будет характеризоваться пределом выносливости s _R. При повышенных температурах эксплуатации прочность характеризуют предел ползучести s_пл, предел длительной прочности s_дп и т.п.

Поэтому надежность сплава в конструкции или изделии не может быть оценена какой-либо одной характеристикой механических свойств. Ее характеризуют конструктивной прочностью. Под конструктивной прочностью понимают комплекс механических свойств, находящихся в корреляции с эксплуатационной прочностью изделия и конструкции. Естественно, в каждом конкретном случае, т.е. для каждого изделия или группы изделий, этот комплекс свойств будет включать различные критерии механических свойств.

Сплавы, применяемые для изготовления отдельных деталей и узлов машин, механизмов и конструкций, являются конструкционными. Они в большинстве случаев должны иметь высокую прочность при растяжении и вязкий характер разрушения. Так, для большинства конструкционных сталей важнейшими параметрами конструктивной прочности являются предел текучести s_т, температура вязкохрупкого перехода Т _пр и параметр вязкости разрушения К _1с.

Сопротивление пластической деформации тем выше, чем меньше подвижность дислокаций, чем больше препятствий на их пути. Пластичность и вязкость, наоборот, тем выше, чем легче осуществляется движение дислокаций. Следует иметь в виду, что помимо вязкого разрушения, являющегося результатом большого числа пластических сдвигов за счет движения дислокаций по различным плоскостям скольжения, возможно хрупкое разрушение в результате зарождения и прогрессирующего развития трещин.

На рис. 2 показано влияние структурного упрочнения (создание структурных барьеров для движения дислокаций) на предел текучести s_т и вязкости разрушения К _1с. С увеличением барьеров для движения дислокаций предел текучести возрастает, а вязкость разрушения уменьшается. В области 1 надежность против внезапных хрупких разрушений высокая, так как случайные перегрузки будут сниматься пластической деформацией в устье трещины в связи с низким пределом текучести s_т и высоким значением вязкости разрушения К _1с. Область 2 соответствует высокому значению s_т и низкому значению К _1с, металл может разрушаться хрупко при малых нагрузках. Поэтому во многих случаях следует применять материал с меньшим значением s_т, что несколько увеличит массу конструкции, но значительно повысит сопротивление хрупкому разрушению.

Рис. 2. Схема влияния структурного упрочнения

на предел текучести s_т и вязкость разрушения К _1с:

1 – вязкое разрушение; 2 – хрупкое разрушение

Склонность к хрупкому разрушению, в первую очередь, определяется работой распространения трещины. Чем она больше, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения. Как известно, сталь может разрушаться хрупко или вязко в зависимости от температурного порога хладноломкости. Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости, под которым понимают интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения. При небольшом запасе вязкости в результате случайного снижения температуры, роста зерна, загрязнения металла вредными примесями и т.д., порог хладноломкости может повыситься, что приведет к хрупкому разрушению. За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50% волокна и обозначается T ₅₀. Порог хладноломкости не является постоянной материала, а сильно зависит от его структуры, условий испытания, наличия концентраторов напряжений, размера образца и т.д. Чем выше прочность, тем выше порог хладноломкости.

Для получения высокого комплекса механических свойств (высокой конструктивной прочности), исключения возможности хрупкого разрушения нужно, чтобы барьеры, тормозящие движение дислокаций, позволяли при определенном напряжении прорываться через них дислокациям ("полупроницаемые" барьеры).

Дата добавления: 2015-07-08