Влияние эксплуатационных и конструкционно-технологических факторов на механическое поведение материалов

 

Главная

Лекция 23. Влияние эксплуатационных и конструкционно-технологических факторов на механическое поведение конструкционных материалов

 

Содержание

Скорость и время нагружения

Влияние температуры

Влияние технологических факторов

Влияние масштабного фактора

Коррозионное воздействие окружающей среды

Влияние поверхностно-активных веществ

Влияние облучения на механические свойства материалов

Методы повышения конструкционной прочности деталей машин

 

Свойства материала, воплощенного в реальное изделие заданных размеров, формы, текстуры, состояния поверхности, могут значительно отличаться от тех, которые определяют путем испытаний стандартных образцов в стандартных условиях. Как правило, действительная прочность конструкции оказывается ниже той, которая может быть предсказана без учета ее специфики по стандартным механическим характеристикам материала.

Причинами, вызывающими это различие, являются: особенность формы конструкции и связанные с нею, в частности, неоднородность напряженного состояния и концентрации напряжений; отличие абсолютных размеров образца от размеров детали, т.е. масштабный фактор; наличие в конструкции технологических или эксплуатационных остаточных напряжений или иное их распределение по сравнению с образцом; различие в жесткостях, что приводит к различным уровням запаса упругой энергии детали и образца; разные состояния их поверхностей; изменение свойств материала в процессе эксплуатации и т.п.

Большое влияние оказывают условия окружающей среды, в которых приходится работать материалам строительных конструкций и деталям машин. Например, при повышенных температурах (конструкции доменных печей, ракетных двигателей) или при пониженных температурах (элементы холодильных установок), при действии радиоактивных, особенно нейтронных, проникающих излучений (ядерные реакторы), электромагнитных полей или же вызвано протеканием физико-химических процессов, химических и электрохимических реакций на поверхности твердого тела и в его объеме. Ясно, что механические свойства материалов будут изменяться и зависеть от условий эксплуатации конструкций, элементов машин и механизмов.

Все это свидетельствует о необходимости дифференцированного подхода к установлению коэффициентов запаса, которые должны учитывать специфику работы материала в реальном изделии. В тех случаях, когда необходимая информация отсутствует, большое значение, особенно для ответственных конструкций, приобретают натурные испытания деталей и их элементов. Эти испытания, с одной стороны, позволяют апробировать разработанные методы оценки прочности конструктивных элементов, основанные на использовании данных испытаний образцов, а с другой – позволяют определить комплексное влияние различных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, характерных для создаваемого изделия и реальных условий эксплуатации.        

  

Скорость и время нагружения

Большое влияние на механические свойства материалов оказывает скорость и время нагружения. При высокоскоростном нагружении более резко проявляются свойства хрупкости, а при медленном нагружении - свойства пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии нагрузки в условиях нормальной температуры (+20 0С) проявлять пластические свойства. Пластичные же материалы, такие, как малоуглеродистая сталь, при воздействии ударных нагрузок проявляет хрупкие свойства. В зависимости от указанных обстоятельств механические свойства материалов проявляются по-разному. Обобщенный анализ свойств материалов с учетом скорости и времени нагружения оказывается очень сложным. Функциональная зависимость между тремя параметрами σ, ε, и временем t, т.е. f(σ,ε,t)=0 не является адекватной и содержит в сложной форме дифференциальные и интегральные соотношения, входящих в нее величин.

Так как в обобщенной форме, точное аналитическое выражение функции f получить невозможно, то влияние фактора времени рассматривается в настоящее время применительно только к частным классам задач. Деление на классы производится как по характеру действия внешних сил, так и по типу материалов, а также в зависимости от скорости нагружения.

Наиболее, изучаемыми в механике материалов, являются процессы, происходящие при действии медленно изменяющихся (статических) нагрузок.

Скорость изменения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия деформируемого тела, составляет незначительную долю от работы внешних сил. Поэтому работа внешних сил превращается только в упругую энергию и в необратимую тепловую энергию, связанную с пластическими деформациями тела.

 

Влияние температуры

В общем случае с ростом температуры, механические характеристики материалов существенно изменяются. При этом, чем выше температура, тем труднее эти характеристики определить. Происходит это не только потому, что возрастают сложности в технике эксперимента, но также вследствие того, что сама характеристика становится менее определенной.

Высокие температуры не только способствуют возникновению реологических явлений в материалах, но и изменяют их механические свойства. В большинстве случаев при нагреве характеристики прочности уменьшаются с повышением характеристик пластичности, а при охлаждении наоборот, однако это наблюдается не у всех материалов. Например, у стали марки Ст3 при t=500 °C σT=140 МПа, σВ=250 МПа; при t≈600°C σT=40 МПа, σВ=150 МПа, т.е. предел текучести σT→0 и при 600...650 °С наступает температурная пластичность. У малоуглеродистых сталей на кривой зависимости деформации от температуры заметен участок, когда удлинение образца при разрыве с повышением температуры уменьшается, а при дальнейшем повышении температуры пластически свойства стали восстанавливаются при падении прочностных показателей. Это явление называется охрупчиванием.  При отрицательных температурах у сталей увеличивается их хрупкость – при t < -45 °C Ст3 становится хрупкой. Это свойство называется хладноломкостью.

Характеристики пластичности с повышением температуры увеличиваются, а с понижением температуры уменьшаются. При изменении температуры не остаются постоянными и физические характеристики материала: при повышении температуры модуль упругости E существенно уменьшается, а коэффициент Пуассона μ незначительно увеличивается – с 0,28 до 0,33.

У цветных металлов и их сплавов прочность при повышении температуры испытания резко падает и практически теряется приблизительно при 600 °С, пластичность же постепенно снижается. Для алюминия характерна иная картина: его пластичность и предел прочности возрастают.       

Изделия из пластмасс больше подвержены температурным воздействиям и длительным нагрузкам, чем металлы. Для них температурный и временной факторы, так же как и масштабный, являются весьма существенными. Реологические явления обнаруживаются у пластмасс даже при обычных температурах. Прочность при нагреве падает с увеличением пластичности, при охлаждении повышаются прочность и хрупкость.

При статическом нагружении, начиная с некоторых значений температур, фактор времени становится очень существенным. Для разных материалов это явление происходит при совершенно различных температурных режимах. Влияние фактора времени обнаруживается и при нормальных температурах. Для металлов его влияние, из-за незначительности, можно пренебречь. А для органических материалов даже при низких температурах время нагружения имеет существенное значения.

В настоящее время созданы и широко применяются специальные сплавы и металлокерамические материалы, которые могут надежно работать при повышенных температурах (до 1000 °С).

 

Влияние технологических факторов

Наиболее существенными технологическими факторами, влияющими на несущую способность деталей машиностроения, являются остаточные напряжения, анизотропия механических свойств, состояние поверхностного слоя, во многом зависящие от технологии изготовления.

Остаточные напряжения. Остаточными напряжениями принято называть те напряжения, которые присутствуют в детали, свободной от воздействия внешних, в том числе, и реактивных, сил или градиентов температуры. Эти напряжения существуют и уравновешиваются внутри тела после удаления причин, вызвавших их появление.

Причиной возникновения остаточных напряжений первого рода, макронапряжений, является, как правило, остаточная деформация части объема детали или неравномерность остаточной деформации всей детали вследствие необратимых объемных изменений в материале из-за неоднородной по сечению пластической деформации при холодном или горячем деформировании, неравномерного распределения температур по объему изделия при его нагреве и охлаждении и неравномерности по сечению конструктивного элемента процесса фазовых превращений при термообработке и т.п.

Величина остаточных напряжений не может превышать величины предела текучести. Если в момент возникновения остаточных напряжений σост их уровень будет больше σT, то со временем за счет релаксации он снизится,

σост≤σT.

Остаточные напряжения особенно заметно могут сказываться на механических свойствах пластичных материалов. В зависимости от знака они могут как повышать прочность, так и снижать ее. Для снятия остаточных напряжений применяют отжиг, который обеспечивает снятие остаточных напряжений практически в любых сталях. Снять остаточные напряжения можно также путем пластического деформирования металла по специальным режимам.

Действие остаточных напряжений аналогично действию постоянных напряжений от статических нагрузок. Учет этих напряжений в расчетах сводится к сложению с напряжениями с напряжениями, возникающими в элементах конструкций под действием приложенных внешних нагрузок.

Остаточные напряжения растяжения могут служить самостоятельной причиной образования трещин и разрушения конструктивных элементов, изготовленных из высокопрочных материалов с малой пластичностью, или материалов, склонных к хрупкому разрушению в реальных условиях эксплуатации. Часто встречаются случаи образования трещин, вызванных остаточными напряжениями в сварных соединениях, фасонных отливках, закаленных деталях. С другой стороны, конструкционная прочность может быть повышена за счет искусственного наведения в деталях остаточных напряжений, особенно работающих при переменных напряжениях.

Анизотропия механических свойств. Одним из основных допущений при расчетах элементов конструкций на прочность в большинстве случаев является предположение однородности и изотропии материала. Между тем в действительности большинство реальных материалов и изделий из них обладают анизотропией механических свойств. Когда анизотропия незначительна, ею можно пренебречь. Во многих других случаях неучет анизотропии может привести к существенным ошибкам как при конструировании, так и при эксплуатации изделий. Используя характеристики механических свойств материалов, приводимые в справочной литературе, при прочностных расчетах следует иметь ввиду, что эти характеристики, как правило, получены в процессе испытаний образцов, вырезанных из заготовок с изотропными свойствами.

Существует несколько видов анизотропии: гомогенная, которая обусловлена неравновероятным распределением ориентировок анизотропных кристаллов при кристаллизации поликристаллических материалов; гетерогенная, связанная с определенной текстурой, полученной вследствие технологической операции и анизотропия, вызванная ориентированными остаточными напряжениями.

Анизотропия механических свойств материала может проявляться по-разному. Один и тот же материал может быть, например, изотропным по характеристикам упругости, мало изотропен по характеристикам прочности и сильно анизотропен по характеристикам пластичности, усталости и т.п.

Учет анизотропии при разработке изделий способствует повышению их надежности и долговечности, а также позволяет наиболее полно использовать все возможности конструкционного материала.

При расчетах на прочность наиболее часто учитывают анизотропию упругих свойств таких сильно анизотропных материалов, как армированные стеклопластики, слоистые и волокнистые композиционные металлические материалы, древесина и др. Для этих материалов на основе накопленных экспериментальных данных создан соответствующий расчетный аппарат, базирующийся на основах теории упругости, который позволяет решать практические задачи.

Применительно к широко используемым в современной технике конструкционным материалам – металлам и их сплавам  при расчетах учитывают, в основном, только анизотропию сопротивления деформированию и разрушения, пренебрегая влиянием анизотропии упругих свойств на изменение напряженного состояния. Сложность учета анизотропии механических свойств при прочностных расчетах заключается в использовании в определяющих уравнениях большого количества требующих экспериментального определения характеристик материала, что чрезвычайно громоздко. Отметим, что лишь для ортотропного тела в общем виде требуется 12 констант материала. Даже в этом случае определение 12 характеристик слишком сложно. Поэтому с практической целью для оценки влияния анизотропии на несущую способность изделия чаще всего пользуются приближенными коэффициентами.

К сожалению, общей теории прочности анизотропных материалов к настоящему времени не существует. Сложность решения данного вопроса заключается в неоднозначности ориентировки полей напряжений и полей параметров, характеризующих сопротивление деформированию или разрушению. Если поле напряжений в теле известно или оно может быть определено, то анизотропию свойств используют с целью повышения несущей способности детали. Примером удачного использования анизотропии могут служить трубы и емкости, работающие под давлением, когда их максимальная прочность обеспечивается в окружном направлении, поскольку в этом случае σθ=2σz.

Состояние поверхностного слоя. Состояние поверхностного слоя детали оказывает большое влияние на ее несущую способность. Локальное поверхностное нагружение при механической обработке приводит к появлению остаточных напряжений. В результате грубой или тщательной механической обработки изменяется шероховатость поверхности детали, что вызывает концентрацию напряжений. Концентрация напряжений, остаточные напряжения и структурные изменения в поверхностном слое увеличивают склонность малопластичных металлов к хрупкому разрушению, особенно при низких температурах. Грубая механическая обработка существенно сказывается на сопротивлении ударным нагрузкам и повторно-переменному нагружению, особенно деталей из углеродистой стали.

Известно также, что растягивающие остаточные напряжения уменьшают сопротивление усталости. С другой стороны, пластические деформации сжатия, которые могут возникнуть при механической обработке, существенно уменьшают сопротивление ползучести и длительную прочность. Особенно опасным является наклеп поверхности, сопровождающийся образованием мелких трещин, которые в процессе действия вибрационных нагрузок развиваются в усталостные, что приводит к снижению усталостной прочности.

Существуют много способов технологической обработки поверхностного слоя стали: токарная обработка, обработка поверхности роликами, хромирование и др. Все эти способы направлены на то, чтобы улучшить прочностные свойства металлов.

В то же время широко известны способы повышения несущей способности деталей за счет специального создания в поверхностном слое технологическим путем остаточных напряжений или применения специального легирования поверхностного слоя деталей, работающих в агрессивных средах.                                                 

Механические характеристики стали, даже одного состава, зависят от способа ее получения и обработки.

При литье возможность образования различных дефектов в виде пустот, раковин и включений увеличивается. Это приводит к снижению механических характеристик прочности стали.

Прокатка меняет структуру стали – делает ее анизотропной. При этом значительно изменяются механические свойства в направлении прокатки – сталь становится более прочной; в других направлениях механические свойства существенно отличаются от свойств в направлении прокатки.  

Волочение представляет собой вытяжку с обжатием. Изделия, полученные таким способом, - стальная проволока и стальные листы – обладают высокими прочностными свойствами.

В качестве термической обработки стали используют ее закалку. Закалка стали приводит к значительному повышению предела текучести и временного сопротивления, но при этом снижаются ее пластические свойства; модуль упругости практически не изменяется. Например, для придания указанных свойств низкоуглеродистой стали проводят ее цементацию – увеличение содержания углерода в поверхностном слое, с последующей закалкой этого слоя. Для улучшения структуры и механических свойств стали также применяют нормализацию – нагрев стали до температуры 750...950 0С, выдержка ее и последующее охлаждение на воздухе. Часто нормализация предшествует закалке.

 

Влияние масштабного фактора

На прочность материала влияют размеры нагружаемого объекта. Зависимость сопротивления деформированию и разрушению конструкционных материалов в одинаковых условиях нагружения от размеров испытываемого объекта при сохранении их геометрического подобия называют масштабным эффектом или масштабным фактором.

По характеру проявления масштабного эффекта все материалы можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся хрупкие и квазихрупкие материалы, ко второй – материалы со значительными остаточными пластическими деформациями.

Влияние размеров тела на его прочность более ярко выражено у материалов перовй группы, ко второй можно отнести различные марки чугунов, высокопрочные и закаленные стали, графиты, стекла, отдельные виды пластмасс и ряд других материалов с грубодисперсной структурой, содержащей различные включения и неоднородности. В таких материалах разрушение обычно происходит путем хрупкого отрыва и, как правило, сопровождается значительным рассеиванием значений прочности. Причины понижения сопротивления хрупкому разрушению этих материалов с увеличением площади сечения или объема по современным представлениям заключается в большей вероятности появления неоднородностей и «слабых мест» у образцов больших размеров.

Что касается пластичных материалов, к которым относятся большинство широко применяемых конструкционных материалов (стали, алюминиевые, титановые, медные и другие сплавы), вопрос о влиянии масштабного фактора на сопротивление деформированию и разрушению даже в экспериментальном плане изучен недостаточно.

При испытании многих сталей и сплавов на растяжение показано, что с увеличением характерных размеров образцов предел пропорциональности и условный предел текучести практически не изменяются, но имеет место снижение предела прочности, истинного сопротивления разрушению и относительного сужения. Несмотря на то, что к настоящему времени накопилось достаточно много информации о материалах и их свойствах, до сих пор нет единого мнения о тех или иных предпосылках, на основе которых можно было бы описать или хотя бы качественно объяснить особенности влияния размеров детали на прочность и деформационные свойства. Очевидно, это влияние следует связывать не только с физической природой материала, но и с особенностями механического нагружения объекта.

Изменение характеристик механических свойств материалов в зависимости от размеров образцов связывают с технологическими, механическими, энергетическими и статистическими факторами, совместное действие которых чрезвычайно усложняет картину.

Технологический фактор определяется причинами металлургического характера, такими как вид термообработки, режим спекания, способ плавки и т.д. В больших слитках в большей степени развиваются процессы ликвации, определяющие однородность, анизотропность, газонасыщенность и т.п. Технологический фактор включает также особенности механических методов обработки изделий (ковка, штамповка, резание, прокатка), когда в тонких приповерхностных слоях металла возникают заметные градиенты свойств материала.

Под механическим понимается комплекс факторов, связанных с нарушением подобия сравниваемых элементов при их нагружении. Зачастую при нагружении разномасштабных объектов при соблюдении геометрического подобия не выполняется идентичность по режимам нагружения, которая проявляется в различных скоростях роста напряжений при нагружении или различных скоростях протекания процесса деформации, поскольку данные параметры зависят от геометрии объекта. Градиент напряжений существенно влияет на эффект масштаба, который усиливается с ростом концентрации напряжений и неоднородности поля напряжений.

Энергетическое объяснение масштабного фактора основано на предположении об уменьшении характеристик прочности в связи с различным запасом упругой энергии, накапливаемой в нагружаемой системе и испытываемом объеме.

Поскольку масштабный фактор наиболее ярко проявляется у малопластичных материалов, часто его проявление связывают со статической природой. Качественные выводы  статистических теорий одинаковы. Это объясняется тем, что большинство теорий базируются на одинаковых допущениях. В частности, предполагается, что источником разрушения является микротрещина или какой-либо другой дефект, которые в процессе нагружения до начала разрушения не меняют своих параметров. Предполагается, что одной микротрещины критических размеров достаточно для того, чтобы вызвать разрушение всего образца независимо от его размера, а каждой микротрещине отвечает определенной критическое напряжение, при достижении которого начинается разрушение, и каждому материалу соответствует определенная функция распределения критических напряжений по микротрещинам.

Соотношения, описывающие проявления масштабного эффекта, в различных теориях неодинаковы из-за разных подходов при решении вспомогательных задач теории вероятности, вида положенных в основу теории кривых распределения исходных параметров, характера принятых упрощений и пр. Физическая картина статистических теорий в данном случае довольна ясна: чем больше размеры объекта, тем больше вероятность наличия в нем опасного дефекта и тем ниже его прочность. Из двух видов нагрузки более опасным является тот, при котором объем материала находится в зоне максимальных напряжений. С этой точки зрения средняя прочность при растяжении должна быть не меньше, чем при чистом сдвиге, а при чистом сдвиге – меньше, нежели при изгибе сосредоточенной силой. По-видимому, начиная с некоторого размера образца, достигается полный набор всех возможных неоднородностей и слабых мест, и поэтому дальнейшее увеличение размеров уже не сопровождается понижением прочности.

Отметим, что следует критически подходить к методам оценки несущей способности элементов конструкций с учетом масштабного фактора, основанных на вероятностных подходах. Корректность этих методов не может быть высокой и зависит от того, насколько принятая модель отражает свойства конструкционного материала и учитывает особенности кинетики его разрушения.

Более реальным в настоящее время для учета в расчетной практике эффекта масштаба представляется подход, основанный на традиционных феноменологических теориях, когда масштабный фактор связывается с некоторыми параметрами, отражающими статистическую природу прочности материала.

При оценке несущей способности элементов конструкций из пластичных материалов, когда допускаемые напряжения для материала рассчитываются по условному пределу текучести, масштабный фактор практически можно не учитывать, поскольку, как показывают экспериментальные данные, состояние текучести этих материалов при разных соотношениях главных напряжений описывается уравнениями, не содержащими параметры, которые зависят от размеров испытываемых объектов. Однако следует иметь ввиду, что в зависимости от условий эксплуатации один и тот же материал может разрушаться пластично или хрупко. Поэтому при проектировании крупногабаритных изделий следует с большой ответственностью подходить к оценке влияния масштабного фактора и производить эту оценку с учетом особенностей условий эксплуатации.                            

                 

Коррозионное воздействие окружающей среды

Коррозией называется разрушение металлов, вызванное химическим или электрохимическим взаимодействием их с коррозионной средой. Коррозия представляет собой сложный процесс, зависящий от множества факторов, включающих в себя условия окружающей среды, ее концентрацию, температуру, структуру металла и др. Можно выделить следующие типы коррозии: непосредственно химическое взаимодействие, электрохимическую коррозию, щелевую коррозию, межкристаллитную коррозию, водородное повреждение, коррозионное растрескивание под напряжением и др. В зависимости от условий окружающей среды, нагружения и функционального назначения детали любой из видов коррозии может явиться причиной преждевременного разрушения.

 Непосредственное химическое взаимодействие. Это наиболее распространенный вид коррозии, при котором поверхность детали корродирует более или менее равномерно, в результате чего происходит постепенное разрушение материала и уменьшение размеров неповрежденного воспринимающего нагрузку сечения. Скорость такой коррозии оценивается по результатам лабораторных испытаний образцов и измеряется в единицах мм/год. При испытании образцов тщательно определяют изменение их веса и размера. Неблагоприятные последствия непосредственного химического воздействия могут быть уменьшены следующим образом: подбором соответствующих окружающей среде материалов; применением гальванопокрытий, плакирования; нанесением покрытий или покраски для предохранения материала; изменением по возможности окружающей среды и т.д.

Электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют электрическую цепь, замыкаемую жидким или пленочным электролитом или коррозионной средой. В этих условиях  разность потенциалов между разнородными металлами создает электрический ток, проходящий через электролит, который и приводит к коррозии в первую очередь анода или менее благородного металла пары. Чем больше ток, тем интенсивнее коррозия. Защита от электрохимической коррозии осуществляется путем подбора невзаимодействующих пар металлов, электрической изоляцией одного из разнородных металлов от другого, обеспечением малого отношения площади поверхности катода к площади поверхности анода, введением ингибиторов для уменьшения агрессивности коррозионной среды, другими методами.

Щелевая коррозия. Щелевая коррозия представляет собой существенно локализованный процесс ускоренной коррозии в щелях, трещинах и других дефектах малого объема, где корродирующий металл контактирует с неподвижным раствором. Для уменьшения интенсивности щелевой коррозии или для предотвращения ее необходимо ликвидировать трещины и щели.

Межкристаллитная коррозия. Локальные воздействия на уязвимые места у границ зерен называются межкристаллитной коррозией. Это может быть связано с концентрацией примесей по границам зерен. В частности, этому подвержены аустенитные стали после нагрева до 510-790 °С. С целью минимизации восприимчивости аустенитных нержавеющих сталей к межкристаллитной коррозии возможно понижение содержания углерода менее, чем до 0,03%, либо могут быть добавлены стабилизаторы для получения более однородной структуры сплава. Восприимчивыми к межкристаллитной коррозии являются также алюминиевые, магниевые, медные и цинковые сплавы в неблагоприятных условиях.

Водородное охрупчивание. Водородным охрупчиванием называется проникновение водорода в металл, в результате чего образуется хрупкие гидриды. Механизм водородного охрупчивания до конца еще не выяснен. Водородному охрупчиванию подвержены в разной степени практически все металлы. Чувствительность к водородной хрупкости возрастает с увеличением прочности стали. Снижения водородного охрупчивания можно добиться удалением водорода с помощью «высушивания» при относительно низких температурах  в течение нескольких часов.Охрупчивающее действие водорода при содержании его до 8-10 см3 в большинстве случаев является обратимым процессом, т.е. после низкотемпературного отжига пластичность образцов восстанавливается вследствие десорбции водорода из металла.

  Серьезную опасность в атомной энергетике представляет водородная хрупкость сплавов циркония, применяемых для изготовления оболочек твэлов и труб технологических каналов. Водородное охрупчивание циркониевых сплавов проявляется в существенном снижении ударной вязкости (в 4-6 раз при 20 °С), хотя временное сопротивление и относительное удлинение мало зависят от содержания водорода до концентрации порядка 0,05%.

Коррозионное растрескивание под напряжением. Этот вид разрушения проявляется как образование множества трещин в металле под влиянием одновременно действующего растягивающего напряжения и коррозионной среды и характерен для различных сплавов. Уровни напряжений, при которых происходит коррозионное растрескивание, значительно ниже предела текучести материала, так что причиной разрушения могут быть и остаточные напряжения. На растрескивание под напряжением оказывают влияние величина напряжения, состав сплава, окружающая среда и температура. Трещины растут до критического размера, после чего наступает внезапное и катастрофическое разрушение в соответствии с законами механики разрушения. Скорость роста коррозионной трещины хорошо подчиняется уравнению Париса

где l - длина трещины, t - время, K - коэффициент интенсивности напряжений, зависящий от длины трещины и уровня напряжений, C и n - константы, зависящие от свойств материала и коррозионной среды. Очевидно, есть наибольшее значение коэффициента интенсивности напряжений в условиях плоской деформации в коррозионной среде, при котором трещина не растет – K1scc. Предотвратить коррозионное растрескивание под напряжением можно, понижая напряжение ниже предельного значения, выбирая наилучший сплав для данной среды, изменяя состав окружающей среды путем снижения ее агрессивности.         

                

Влияние поверхностно-активных веществ

Существует группа эффектов, связанная с понижением свободной поверхностной энергии твердого тела при воздействии поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера). В зависимости от состава твердого тела, окружающей среды, структуры твердого тела, температуры, характера напряженного состояния эффект Ребиндера может проявляться в разных формах. Наиболее распространенными и важными формами его проявления являются пластифицирование и возникновение хрупкости.

Пластифицирование заключается в уменьшении сопротивления пластическому деформированию, понижении предела текучести и деформационного упрочнения при однократном статическом нагружении. Этот эффект наблюдается при деформировании олова, алюминия, свинца в растворах органических поверхностно-активных веществ, например, пластифицирование монокристалла олова в растворе олеиновой кислоты в вазелиновом масле.

Возникновение хрупкости – резкое снижение пластичности и прочности – связано обычно с действием жидкой среды, сходной с твердым телом по своей молекулярной природе. Для металлов такими средами являются определенные жидкие металлы. Например, латуни и цинк становятся хрупкими в присутствии ртути, медь в присутствии жидкого висмута.

Отметим характерные особенности эффекта Ребиндера:

- избирательность действия только данной среды на данный металл;

- проявление эффекта при очень малом количестве поверхностно-активных веществ;

- немедленное проявление эффекта при смачивании поверхности;

- обратимость влияния поверхностно-активных веществ: после их удаления с поверхности тела его механические свойства восстанавливаются;

- проявление эффекта при наличии растягивающих напряжений.

             

Влияние облучения на механические свойства материалов

Облучение оказывает существенное влияние на механические свойства конструкционных материалов. Их изменение в значительной степени определяется характером взаимодействия дислокационной структуры материала со сложным комплексом возникающих радиационных дефектов.

По мере накопления радиационных повреждений твердость материала растет, заметно увеличивается предел текучести и в меньшей степени временное сопротивление. Значения предела текучести и временного сопротивления сближаются, а относительное удлинение и ударная вязкость снижаются, что свидетельствует об охрупчивании материала.  Кроме этих изменений происходит повышение критической температуры хрупкости – сдвиг ее в область более высоких температур на 150-200 °С. Эффект радиационного упрочнения наблюдается во всех нержавеющих сталях аустенитного класса и высоконикелевых сплавах. В результате облучения повышаются прочностные и сближаются пластические свойства этих материалов при температурах испытаний до 350-400 °С. При температурах испытания свыше 500 °С прочностные характеристики восстанавливаются, однако пластичность этих материалов резко снижается. Этот эффект получил название высокотемпературного радиационного охрупчивания хромоникелевых сталей и высоконикелевых сплавов.

Облучение существенно активизирует коррозионные процессы в металлах за счет радиолизного эффекта. При температуре около 300 °С скорость коррозии перлитных и нержавеющих сталей, сплавов циркония при облучении возрастает в 1,2-4,4 раза.

Наиболее стойкие против высокотемпературного радиационного охрупчивания являются стали, легированные молибденом, ниобием и бором.

Результатом облучения может быть и радиационное распухание материалов, т.е. увеличение его объема или уменьшение его плотности. Это явление обнаружено практически во всех металлах и сплавах при облучении их в диапазоне температур 0,3-0,5Tпл не только нейтронами, но и другими частицами. Распухание обусловлено образованием в металлах и сплавах под действием облучения вакансионных пор, что приводит к появлению в детали конструкции дополнительных напряжений.      

При облучении пластмасс характеристики пластичности снижаются. Что же касается характеристик прочности, то для некоторых пластмасс (полиэтилен) предел прочности не изменяется, у других (каталин) значительно снижается, а у третьих (селектрон) заметно повышается. Все отмеченные явления в сильной мере зависят от доз излучения.     

 

Методы повышения конструкционной прочности деталей машин

Характеристики механических свойств конструкционных материалов для изготовления деталей машин (характеристики упругости, прочности, пластичности и др.) определяют путем испытаний стандартных образцов в стандартных условиях. В реальных конструкциях эти свойства не всегда проявляются в полной мере. Особенно заметно это несоответствие между характеристиками прочности, полученными при испытании лабораторных образцов, и конструкционной прочностью как максимальным сопротивлением материала, реализуемым в деталях машин.

Особый характер проявления механических свойств материала, воплощенного в деталь или конструкцию, связан с влиянием трех групп факторов: эксплуатационных, технологических и конструкционных.

Эксплуатационные факторы определяются назначением детали и условиями его эксплуатации (температурой, видом и характером нагружения, окружающей средой и т.п.); они определяют выбор материала для проектируемого изделия и конструкции.

Большой эффективности в повышении конструкционной прочности и снижении материалоемкости изделий можно достичь за счет технологических факторов, связанных с предысторией металлургической, механической и термической переработки материала.

Известно, что прочность – это свойство материала, зависящее от его природы (химического состава) и структурного состояния. Прочность реальных конструкционных материалов из-за наличия дефектов структуры на два-три порядка ниже теоретической, характеризуемой сопротивлением разрыву межатомных связей. Таким образом, на прочность материала существенное влияние оказывают дефекты его внутренней структуры. Поэтому вводится ряд величин, учитывающих это влияние: коэффициент концентрации напряжений, характеризующий ослабление материала вследствие концентрации напряжений вблизи отверстий и трещин; удельная энергия трещинообразования (константа Гриффитса), определяющая накопленную в процессе деформации материала упругую энергию, необходимую для образования трещины; коэффициент сопротивления развитию трещины, характеризующий поправку на пластическую деформацию вблизи кончика трещины.

Механизм развития трещин описывается теорией дислокаций. В результате больших удельных нагрузок, соизмеряемых с теоретической прочностью, возникают повреждения – «зародыши» Степанова, – которые являются причиной дислокаций – участков материала с нарушенным порядком атомов. При воздействии на кристалл силой дислокации начинают двигаться и, встречая препятствия, скапливаются в них. В результате образуются микротрещины, которые затем вырастают до трещин Гриффитса и приводят материал к разрушению.

Практическим результатом теории трещин стала разработка ряда методов борьбы с трещинообразованием. В частности, одним из эффективных методов является создание в материале на пути трещины сжимающих напряжений. Тре­щина, развивающаяся в растянутых слоях, задерживалась в сжатых сло­ях. Этот способ можно осуществлять как для массивных изделий, так и на уровне размеров зерен в поликристалле. Так, например, идея создания остаточных механических на­пряжений сжатия в зонах возможного развития трещин стала преобладаю­щей в технологии изготовления орудий стволов и получила различные технические воплощения. Чем глубже исследователи проникали внутрь структуры, тем становилось яснее, что с трещиной надо бороться в самом ее заро­дыше. В этом плане трещиной можно считать и дислокацию.

Эксперимен­ты показали, что остановка движения дислокаций в материале повышает его прочность. Некоторые способы остановки и задержки дислокаций применялись стихий­но, без осознания процессов, происходящих в материале. Например, ле­гирование сталей и других металлов, создание легко зернистой струк­туры и т.п. порождало препятствие для движения дислокаций и их скоп­ления в микротрещины. Даже наклеп, самый древний способ упрочнения металла, есть одновременно и самый древний способ борьбы с движени­ем дислокаций. При наклепе порождается такое большое количество дислокаций, что они мешают друг другу двигаться.

Необходимые характеристики физико-механических свойств достигаются и повышением чистоты выплавляемого металла. Для этого в промышленности все более широко внедряется вакуумно-дуговой, электронно-лучевой и другие виды переплавов.

Результаты опытов Иоффе подсказали простой путь борьбы с трещинами Гриффитса. Их надо уничтожить, растворяя поверхност­ный слой. Чтобы ликвидировать усло­вия, которые порождают новые трещины Гриффитса, стекло после растворения верхнего слоя необходимо покрыть специальными пленками, как препятствующими проникновению воды, так и смягчающими локальные нагрузки, порождающие «зародыши Степанова». Этот путь привел к увеличению прочности стеклянных волокон в 50-100 раз.

Интересным оказалось техническое решение тормозить трещины трещинами. Эффект тут заключается в том, что острая трещина развивается из-за высоких концентраций напряжения в ее кончике. Если эта трещина начнет расти и кончиком войдет в круглую пору или в специально сделанное отверстие, то острый кончик исчезнет, и концентрация напряжений в такой трещине резко падает, что и останавливает ее. Другой способ остановки трещин – создание на их пути более прочных препятст­вий. Это уже путь к составным, или композиционным материалам (так называемое дисперсионное упрочнение). Наконец, еще одним эффективным способом борьбы с трещиной является создание на ее пути текущих, пластичных частиц или слоев. Трещина, войдя в них, сильно притупится, уменьшит остроту своего кончика, ослабит концентрацию напряжений в нем и сможет развиваться дальше только при значительном увеличении внешней силы.

За счет применения выше перечисленных технологических методов удается достичь высоких уровней прочности материалов: для сталей - σв=1600...2000 МПа, для титановых сплавов - σв =1000...1250 МПа, для алюминиевых сплавов - σв =550...600 МПа и т.п.

Для повышения циклической прочности и износостойкости применяют технологические методы поверхностного упрочнения, поверхностную закалку, химико-термическую обработку (азотирование, цементацию), поверхностное пластическое деформирование (обдувку дробью, обкатку роликами и др.).

Следует иметь в виду, что повышение характеристик прочности материала путем использования различных технологических приемов, как правило, сопровождается снижением характеристик пластичности и вязкости разрушения. Показателен в этом отношении характер зависимости конструкционной прочности от взаимного сопротивления материала σв. Наличие на этой зависимости максимума свидетельствует о том, что повышение σв за счет термообработки или иными способами имеет смысл только до определенных пределов, так как снижение при этом пластичности препятствует перераспределению напряжений в зонах концентрации, а снижение вязкости повышает вероятность хрупкого разрушения. Отметим, если деталь изготовлена из пластичных материалов, то к эффективным способам оптимизации распределения напряжений можно отнести тренировку изготовленного изделия с перегрузками (автофретирование). Этот способ упрочнения деталей применим только в том случае, если в процессе эксплуатации нагрузка не изменяет знак.

В настоящее время для достижения высокой конструкционной прочности широко используются композиционные материалы, состоящие из мягкой матрицы и высокопрочных волокон, оптимально ориентированных по отношению к действующему в детали полю напряжений. Композиционные материалы позволяют рационально согласовать «поля напряжений» с «полями сопротивлений» материала. Они отличаются высокой трещиностойкостью, так как при образовании трещин, например, из-за разрушения волокна, ее распределение тормозится мягкой матрицей. Недостатком композиционных материалов на неметаллической основе является их интенсивное старение, сопровождающееся охрупчиванием.

Принцип равнопрочности всех высоконапряженных деталей, составляющих изделие, осуществить практически невозможно. Тем не менее, использование более достоверных расчетных схем в сочетании с приемами оптимального конструирования является важным резервом повышения несущей способности изделия, более полного использования свойств материала в детали. Высокие показатели использования резерва прочности материала не всегда адекватны экономическим показателям в части стоимости изделия.

К основным правилам конструирования относятся следующие:

Необходимо избегать резких концентраторов напряжений – больших перепадов жесткостей, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и т.п. Концентрация напряжений может быть вызвана дефектами материала (микротрещины, раковины, включения), а также действием сопряженной детали, например, при использовании посадок с гарантированным натягом. Циклическая прочность может резко снижаться при наличии царапин на поверхности, повреждений поверхностного слоя при грубой механической обработке, кислотном травлении. Поэтому при проектировании изделий следует предусматривать специальные меры по обеспечению и сохранению в процессе работы хорошего состояния поверхности деталей. Для этого используют различного рода покрытия, предупреждающие коррозию металла, водородное и другие виды охрупчивания. Однако некоторые виды покрытий, например, гальванические, могут способствовать снижению циклической прочности.

В местах резких изменений размеров ступенчатых деталей лучше использовать конические переходы, эллиптические или поднутренные галтели, а также декомпенсаторы в виде канавок на поверхности большого размера. Кромки отверстий подвергают обжатию или обчеканке. Благоприятное расположение пятна контакта в зонах приложения сосредоточенных нагрузок достигается приданием поверхности бочкообразной формы (бомбинированием), применением смазок, изготовлением контактируемых поверхностей с кривизной одинакового знака, заменой точечного контракта линейным, введением самоустанавливающихся башмаков.

Уровень остаточных напряжений в деталях машин, в том числе монтажных напряжений, должен быть сведен до минимума. Необходимую несущую способность соединений с гарантированным натягом лучше обеспечивать не за счет натяга, а за счет длины контактируемых поверхностей. При этом соединяемые детали должны обладать приблизительно одинаковой жесткостью в радиальном направлении. Для уменьшения деформаций при сварке и снижения сварочных напряжений применяют конструкции с симметричным расположением швов, избегают их пересечения, делают сварные швы прерывистыми, не располагают их вблизи элементов жесткости.

Коэффициент использования металла по критериям прочности и жесткости можно значительно повысить применением рациональных сечений с усилениями наиболее нагруженных зон (двутавровой балки), полых деталей в виде труб, коробок, тонкостенных элементов других форм, подкрепленных поперечными и диагональными связями (раскосами), ребрами или гофрами, а также ячеистых и сотовых деталей. Эффективными могут оказаться конструкции, в которых несущие элементы, работающие при высоких градиентах напряжений (на изгиб, кручение), заменены элементами, работающими на растяжение и сжатие. Иногда остаточные напряжения сжатия различными способами формируются в локальных зонах для «смягчения» концентрации напряжений.

Конструкции деталей машин, работающих при высоких или низких температурах, особенно в неизотермических условиях, должна исключать возможность возникновения высоких температурных градиентов, приводящих к термическим напряжениям. С этой целью в каждом узле следует использовать материалы с близкими коэффициентами линейного расширения и одинаковой теплопроводностью.

Понижение температуры эксплуатации изделия сопровождается ростом вероятности хрупкого разрушения несущих элементов, особенно в зонах сварных швов. В этих случаях очень важно избегать высоких концентраций напряжений любой природы, использовать геометрические формы деталей, исключающие работу материала при двух- и трехосном растяжении, обеспечивать низкие запасы упругой энергии в силовых элементах. В отдельных случаях необходимо предусматривать специальные «ловушки», останавливающие развивающуюся трещину.

Статистика и анализ отказов машин свидетельствует о том, что резервы повышения конструкционной прочности материалов еще далеко не исчерпаны. Здесь, кроме развития методов расчета и оптимального конструирования, важную (если не ведущую) роль играют технологическое обеспечение заданных показателей качества и строгое соблюдение регламентируемых условий эксплуатации изделий.                 

email: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

 

Теоретическая механика   Строительная механика

Прикладная механика  Детали машин  Теория машин и механизмов

 

 

 

00:00:00

 

Top.Mail.Ru