- •Воронеж 2015
- •Введение
- •1. Историческая справка
- •2. Факторы, определяющие прочность
- •2.1. Влияние строения кристалла на прочность
- •2.2. Влияние способа получения детали на прочность
- •2.3. Роль обработки готовой детали
- •2.4. Роль условий эксплуатации
- •3. Физическая сущность деформации и разрушения
- •3.1. Взаимосвязь напряжения и деформации
- •3.3. Кинетика деформации и разрушения
- •3.4. Сдвиговой механизм потери устойчивости по Френкелю
- •4. Прочность отожженных кристаллов
- •5. Пластическая деформация скольжением и двойникованием
- •6. Упрочнение с помощью дислокаций
- •7. Природа деформационного упрочнения
- •8. Упрочнение сплавов
- •9. Общая характеристика разрушения
- •10. Вязкое разрушение
- •11. Хрупкое разрушение
- •12. Физика разрушения
- •13. Анализ структуры изломов
- •13.1. Общие положения
- •13.2. Строение изломов
- •13.3. Виды изломов
- •13.3.1. Хрупкие и полухрупкие изломы
- •13.3.2. Пластичные изломы
- •13.3.3. Усталостные изломы
- •13.4. Дефекты материала в изломе
- •13.4.1. Флокены в изломе
- •13.4.2. Белые пятна
- •13.4.3. Усадочная рыхлость
- •13.4.4. Серебристые полоски
- •14. Разрушение при ползучести
- •15. Разрушение при усталости
- •15.1. Трещинообразование при усталости и факторы, определяющие выносливость
- •15.2. Структурные изменения при усталости
- •15.3. Природа усталостного разрушения
- •15.4. Влияние различных факторов на характеристики выносливости
- •16. Прочность металлов в поверхностно-активных средах
- •17. Механизмы торможения развития трещины
- •18. Оценка металлов по их свойствам
- •18.1. Оценка металлов по их механическим свойствам
- •18.2. Оценка конструкционной прочности металлов по механическим свойствам
- •18.3. Оценка однородности и стандартности испытаний
- •18.4. Способы повышения конструкционной прочности
- •19. Прочность композиционных материалов
- •20. Зависимость скорости движения дислокаций от напряжений
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
18.4. Способы повышения конструкционной прочности
Среди причин, вызывающих различия между прочностью материала и прочностью деталей, можно выделить:
- масштабный фактор;
- концентрация напряжений;
- различия в остаточных напряжениях;
- различия в анизотропии свойств;
- различия в среде;
- различия в жесткости детали и образца;
- различия в состоянии поверхности;
- различия в режиме и времени нагружения.
Высокая прочность и долговечность конструкций при минимальной массе и наибольшей надежности достигаются технологическими, металлургическими и конструкторскими методами.
Современные методы повышения прочности материала основаны на создании такого структурного состояния, которое обеспечивает максимальную блокировку дислокаций. К методам такого упрочнения относят легирование, пластическую деформацию, термическую, химико-термическую и термомеханическую обработку. Эти методы упрочнения позволяют:
- повысить плотность дислокаций до уровня 1010 см-2, когда еще не наблюдается неравномерность их распределения, приводящая к образованию трещин;
- создать дислокационные барьеры в виде границ зерен, субзерен, дисперсных выделений вторичных фаз.
- измельчить зерно, повышая прочность с одновременным повышением ударной вязкости в соответствии с выражением Петча-Холла:
где σт – предел текучести, σ0 – напряжение движения свободной дислокации (МПа), K – коэффициент, характеризующий прочность блокирования дислокаций, d – диаметр зерна (мм). В результате трещина при движении чаще будет менять направление;
- образовать поля упругих напряжений вблизи точечных дефектов и облака точечных дефектов.
Однако повышение прочности такими методами снижает пластичность и вязкость, а вместе сними и надежность.
Проблема повышения конструкционной прочности состоит не только в повышении прочностных свойств, сколько в том, чтобы при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению. Так для сталей 40-60 с помощью закалки и низкого отпуска можно получить предел прочности σв = 2500 МПа, но КСТ = 0.
Поэтому надежность обеспечивается методами, формирующими состояние эффективного торможения дислокаций с их равномерным распределением по объему, а если возможно, то и с определенной подвижностью дислокаций, скопившихся у барьеров.
Второй путь, способствующий повышению надежности это: рациональное легирование, измельчение зерна, повышение металлургического качества, удаление вредных примесей и газов.
Повышение циклической прочности и износостойкости осуществляют методами поверхностной обработки: поверхностной закалкой, химико-термической обработкой, поверхностным наклепом.
Конструкторские методы предусматривают обеспечение равной прочности детали за счет избавления от надрезов и резких переходов, а при невозможности таких способов, локальное упрочнение за счет напряжений сжатия. Эффективно задерживают трещины сварочные швы.
Принципиально иной способ повышения конструкционной прочности использован в композитах из мягкой матрицы и высокопрочного наполнителя. Наполнитель воспринимает всю нагрузку, как арматура, в отличие от дисперсно-упрочняемых материалов, где основной носитель нагрузки – матрица. В этом случае матрица служит для передачи и распределения нагрузки. Хрупкая трещина, разорвавшая волокно арматуры «вязнет» в пластичной матрице.
Наряду с методикой разработки равнопрочных конструкций целесообразно применять заведомо неравнопрочную деталь, поломка которой не вызовет разрушения всего агрегата при перегрузке, а остановит его.
Так накладывают на несущую деталь образец не несущей конструкции, разрушение которого говорит о перегрузке или введении в конструкцию «выключателя», поломка которого отключает агрегат.
К общим правилам рационального конструирования можно отнести:
- увеличение радиусов загибов, применение скошенных или зигзагообразных соединений, обеспечение гладкости кромок, ликвидация резких переходов жесткости;
- защита поверхности от коррозии и активных сред, от локального упрочнения (желательно избегать применения деталей в местах локально высоких напряжений).
Также необходимо:
- обеспечивать при работе восстановление качества поверхности;
- использовать полезные сжимающие напряжения на поверхности;
- уменьшать температурные колебания и градиенты, не допускать плотное соединении деталей с разными коэффициентами теплового расширения;
- уменьшать долю растягивающих напряжений, учитывать текстуру материала;
- максимально уходить от резонансной частоты вынужденных и собственных колебаний.