Конструкционная прочность

Конструкционная прочность – комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. Под условиями работы понимают статические, динамические и ударные нагрузки в контакте с различными средами. Рабочая среда (жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная), в основном, отрицательно влияет на механические свойства материалов. Она может вызывать повреждения поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления, образования окалины, изменения химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (водородом и т.п.).

К конструкционным сталям, применяемым для изготовления разнообразных деталей машин и конструкций, предъявля­ют эксплуата­ционные, технологические, экономические требования.

К эксплуатационным требованиям в данных условиях эксплуатации относятся:

– стойкость к электрохимической коррозии;

– жаростойкость (не образовывать окалины и трещины при высоких температурах;

– окалиностойкость (устойчивость к химической коррозии);

– жаропрочность (сохранение механических свойств при высоких температурах), а также теплостойкость;

– хладостойкость (сохранение механических свойств при низких температурах).

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости при изготовлении деталей и конструкций:

– хорошая обрабатываемость давлением, резанием;

– свариваемость.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступен. Легированные стали должны содержать по возможности мень­ше дорогих и дефицитных элементов.

Критерии конструкционной прочности выбирают в зависимости от условий работы.

1. При статической нагрузке критерием является временное сопротивление σ_В или предел текучести σ_Т, σ_0,2; они характеризуют сопротивление материала пластической деформации. Для большинства деталей пластическая деформация недопустима, тогда несущую способность определяют по σ_В , приближенной оценкой которого является твердость НВ=3 * σ_В .

2. При циклических нагрузках критерием является предел выносливости σ_R . Однако повышение прочности сопровождается повышением упругих деформаций: / Е = ε_упр. Модуль упругости Е является критерием жесткости материала:

· небольшие упругие деформации для станин, корпусов редукторов и т.п., если требуется сохранение размеров и формы;

· большие упругие деформации для пружин, мембран и др. упругих элементов (низкий модуль Е ).

3. Для материалов, используемых в авиации, ракетостроении важное значении имеет масса деталей, критерием является удельная прочность σ_В/(ρg) или Е/(ρg). Например, для расчета вала на прочность, работающего во влажной среде при 250 ⁰С, необходимо знать σ_В, σ_0,2, Е при 250 ⁰С, а также прочность при симметричном круговом изгибе σ_-1, определенную во влажной среде и при нагреве.

4. Важным критерием в работе материала является трещиностойкость (сопротивление хрупкому разрушению). Это подтверждается случаями внезапного хрупкого разрушения изделий, изготовленных из сталей высокой пластичности (подвесных мостов, рельсов, авто­мобильных осей и др.). Трещина длиной l и радиусом r является концентратором напряжений с максимумом в вершине:

Концентрации напряжений больше, если длиннее трещина и острее вершина. Пластичные материалы менее склонны к охрупчиванию, т.к. мелкозернистая структура с большим количеством границ зерен тормозит развитие трещины и движение дислокаций.

5. Для выбора материалов ответственного назначения учитывают такие критерии как ударная вязкость KCV , температурный порог хладноломкости.

Конструктивную прочность можно определить, если испытать образцы или детали в условиях, близких к эксплуатационным (при рабочих температурах, в эксплуатационной среде, при наличии кон­центраторов напряжений и т.д.), а также по показателям надежности и долговечности.

Надежность - это свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Долговечность - это свойство материала сопротивляться разви­тию постепенного разрушения и потере работоспособности в течение заданного времени (ресурса).

Потеря работоспособности может быть вызвана различными причинами: развитием процессов усталости, изнашиванием детали, коррозией и др. Все эти процессы приводят к постепенному накоп­лению повреждений и разрушению материала.

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений.

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением статическим имеет ряд особенностей:

· Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке.

· Разрушение происходит локально, в местах концентраций напряжений.

· Разрушение протекает в несколько стадий: накопление напряжений, образование трещин усталости, развитие трещины, слияние трещин в одну и быстрое разрушение.

· Разрушение имеет характерное строение зоны усталости и долома.

Циклическая долговечность и прочность зависят от структуры и напряженного состояния поверхностного слоя, качества поверхности и воздействия коррозионной среды, предел выносливости снижается с увеличением размеров деталей.

Износостойкость – свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностного слоя материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называется износом. Его определяют по изменению размеров образца (объемный или массовый износ). Также надо учитывать, что материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может быстро разрушаться в других: 1) долговечность деталей, работающих при высоких температурах, определяется скоростью ползучести (скоростью развития пластической деформации при постоянном напряжении); 2) долговечность деталей, работающих в атмосфере горячих сухих газов или жидких электролитов, зависит от скорости химической или электрохимической коррозии.