- •Глава 1. «Строение материалов»
- •Раздел 1. Строение металлов
- •1.1. Атомно-кристаллическое строение
- •1.2. Дефекты строения кристаллических тел
- •1.3. Кристаллизация металлов
- •1.4. Формирование структуры деформированных металлов
- •Раздел 2. Строение сплавов
- •2.1. Фазы и структура металлических сплавов
- •2.2. Диаграммы состояния (фазового равновесия сплавов)
- •2.3. Диаграмма состояния системы железо – углерод
- •Раздел 3. Строение полимеров
- •3.1. Молекулярная структура полимеров
- •Глава 2. Модуль 2. «Свойства материалов и методы их определения»
- •Раздел 1. Свойства материалов
- •Критерии выбора материала
- •1.2. Механические свойства
- •1.3. Испытания долговечности
- •1.4. Изнашивание металлов
- •1.5. Физико-химические свойства материалов
- •Раздел 2. Методы контроля структуры и свойств материалов
- •2.1. Металлографические методы испытаний
- •2.2. Неразрушающие методы контроля
- •Глава 3. Модуль 3. «Термическая обработка»
- •Раздел 1. Основы теории термической обработки
- •Общие положения и определения
- •Классификация видов термической обработки стали
- •Теория термической обработки
- •Раздел 2. Технология термической обработки
- •2.1. Отжиг
- •2.2. Нормализация
- •2.3. Закалка
- •2.4. Отпуск
- •2.5. Термомеханическая обработка стали
- •Раздел 3. Поверхностное упрочнение металлов и сплавов
- •3.1. Упрочнение поверхности методом пластического деформирования
- •3.2. Поверхностная закалка
- •3.3. Химико-термическая обработка
- •3.4. Циркуляционный метод химико-термической обработки
- •Глава 4. Модуль 4. «Материалы, применяемые в технике»
- •Раздел 1. Промышленные стали и сплавы
- •Общая классификация и маркировка сталей
- •1.2. Маркировка сталей по евронормам
- •1.3. Инструментальные стали и сплавы
- •1.4. Коррозионностойкие стали
- •1.5. Жаростойкие и жаропрочные стали
- •1.6. Хладостойкие стали
- •1.7. Порошковые материалы
- •1.8. Чугуны
- •Раздел 2. Цветные металлы и сплавы
- •2.1. Медь и ее сплавы
- •2.2. Алюминий и его сплавы
- •2.3. Титан и его сплавы
- •2.4. Никель и его сплавы
- •Раздел 3. Неметаллические материалы
- •3.1. Пластические массы
- •3.2. Резины
- •Раздел 4. Композиционные материалы
- •4.1. Общая характеристика
- •Раздел 5. Материалы с особыми физическими свойствами
- •5.1. Магнитные материалы
- •5.2. Проводниковые материалы
- •5.3. Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами
- •Приложение
- •Продолжение табл. 4
- •Продолжение табл. 4
- •Продолжение табл. 5
- •Продолжение табл. 5
- •Продолжение табл. 5
- •Перечень госТов на стали и сплавы
- •1. Сталь
- •2. Чугун
- •Глава 1. Модуль 1. «Строение материалов»……………….……13
1.3. Испытания долговечности
Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл напряжения - совокупность изменения напря-жений между двумя его предельными значениями σmax и σ min в течение периода Т. При экспериментальном исследовании соп-ротивления усталости материала за основной принят синусо-идальный цикл изменения напряжения (рис. 2.6.). Он харак-теризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σ min / σmax; амплитудой напряжения σa = (σ max - σ min)/2; средним напряжением цикла σ m = (σ max + σ min)/2.
Различают симметричные циклы (R = -1) и асим-метричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.
Рис. 2.6. Синусоидальный цикл изменения напряжений
Долговечность металлов определяется испытаниями на усталость, ползучесть и длительную прочность, износ, коррозию и другими методами.
Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью. Усталостью металла назы-вается разрушение металлов под действием повторных или знакопеременных нагрузок. Усталостное разрушение происходит, например, у пружин автоматики, деталей кулачковых механиз-мов, и т. д., работающих в режимах «нагружение - разгрузка», «растяжение - сжатие»; при многократном повторении ударных или плавно возрастающих нагрузок. У валов, передающих крутящий момент, материал которых испытывает изгиб с вращением, происходит многократное изменение знака напряжений (растяжение - сжатие) и т.д. Около 80 % всех разрушений носят усталостный характер. Усталостное разрушение имеет ряд характерных признаков. Усталостный излом (рис. 2.7) состоит из зоны с ровной и блестящей поверхностью, которая включает в себя: место зарождения разрушения (1) и зону стабильного развития трещины (2); участок развития трещины (З); связанный с окончательным разрушением. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности. В зоне усталости нередко можно видеть полосы, расходящиеся от очага разрушения (усталостные бороздки) и отражающие последовательное положение растущей трещины (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Излом усталости: 1 – зона очага разрушения; 2 – зона стабильного развития трещины; 3 – зона долома; 4 – усталостные бороздки
Характерно, что усталостное разрушение развивается в деталях, работающих при напряжениях, меньших предела текучести металла. Образование усталостной трещины связано с реальным строением металлов - наличием различно ориенти-рованных зерен и блоков, неметаллических включений, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки.
Трещины являются сильными концентраторами напряжений, и из них образуются микротрещины, далее соединяющиеся в общую усталостную микротрещину, постепенно распространяющуюся на сечение. Разрушение происходит в результате возрастания напряжения в оставшейся зоне сечения.
Таким образом, усталость - процесс постепенного накопления повреждения металла под действием повторных переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению.
Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.
Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном цикле обозначается σ-1
Методика проведения испытаний материалов на усталость регламентирована ГОСТ 25.502 - 79. Для определения предела выносливости испытывают не менее 15 образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений - до разрушения или до базового числа циклов. По результатам испытаний отдельных образцов строят диаграммы усталости в координатах максимальное напряжение - число циклов (рис. 2.8.).
Рис. 2.8. Диаграмма усталости в различных координатах для материалов, имеющих (1) и не имеющих (2) физического предела выносливости
Переход кривой усталости в горизонталь наблюдается обычно на сталях после 107 циклов нагружения. Для цветных сплавов это значение составляет обычно 108 циклов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному значению σmax, является физическим пределом выносливости.
Предел выносливости, т.е. сопротивление усталостному разрушению, резко снижается при наличии концентраторов напряжений. Чем тщательнее обработана поверхность детали, тем выше предел выносливости. По сравнению с полированными образцами шлифованные имеют σ-1 на 10÷15 %, а фрезерованные на 45÷50 % ниже.
Термической усталостью называют усталость металлов, вызванную напряжениями от циклических колебаний температуры. Термическая усталость отличается от силовой меньшим числом циклов и сравнительно высоким уровнем напряжений.
В холодильной и криогенной технике температурные градиенты и соответствующие термические напряжения могут возникать из-за нагрева или охлаждения конструкций при заполнении или сливе охлаждающей жидкости, при попадании криогенных продуктов на относительно теплую поверхность металла емкостей, трубопроводов, деталей арматуры, могут быть вызваны различием теплофизических свойств, входящих в конструкцию деталей из разных материалов. Особенно опасно многократное наложение термических напряжений на напряжения от внешних нагрузок. Кроме того, некоторые металлы могут претерпевать структурные превращения при охлаждении. Все это может явиться причиной преждевре-менного разрушения детали.
Многие детали должны работать под нагрузкой в течение длительного времени при определенной температуре. При этом происходит медленная пластическая деформация металла под действием постоянной нагрузки, создающей в детали напряжения, превышающие предел упругости, но меньшие, чем предел текучести материала детали при данной температуре. Такая деформация называется ползучестью.
Различают ползучесть при высоких и низких темпе-ратурах. Более подробно изучена высокотемпературная ползу-честь. При деформации нагретого металла в нем развиваются два противоположных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение в результате наг-рева. Если второй процесс преобладает, то в металле начинают развиваться диффузионные разупрочняющие процессы - отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести. Если при высоких температурах ползучесть происходит в ре-зультате диффузионных процессов, то при низких температурах она осуществляется за счет движения и размножения дислокаций, имеет термоактивизированную природу и зависит от ряда факторов, из которых наибольшую роль играют температура испытаний и структура металла.
Основными критериями жаропрочности металлов являются предел длительной прочности и предел ползучести.
Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной темпера-туре за определенное время, соответствующее условиям экс-плуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают σ, где индексыt и τ обозначают температуру и время испы-таний: например, σ= 300 МПа означает, что длительная прочность металла при испытании в течение 200 ч при 700°С составляет 300 МПа.
Кривая ползучести состоит из четырех участков (рис. 2.9). Участок ОА соответствует упругой и пластической дефор-мации, возникшей в момент приложения нагрузки. Участок АВ характеризует неустановившуюся ползучесть, где металл дефор-мируется с неравномерной скоростью, участок ВС – установив-шуюся ползучесть и участок CD - ускоренное разрушение, связанное с образованием шейки.
а б
Рис. 2.9. Кривые длительной прочности (а) и ползучести (б)
Пределом ползучести называют напряжение, вызы-вающее заданную суммарную деформацию за определенное время при данной температуре. Предел ползучести обозначают σ, гдеt - температура, δ - суммарное удлинение, τ - время. Например, σ= 350 МПа означает, что предел ползучести металла при1 %-й деформации за 1000 ч при температуре испытаний 400°С составляет 350 МПа. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например 0,1 % за 104 ч или за 105 ч.
В табл. 2.1. приведены отечественные и зарубежные обозначения основных механических свойств и их наименования на русском и английском языке.
Условия эксплуатации многих изделий, работающих при низких температурах, предусматривают их длительную безаварийную работу (более 10 лет) под нагрузкой. В таких изделиях, как резервуары и емкости для хранения и транспортировки криогенных жидкостей, обладающих повышенным запасом упругой энергии в системе, деформация, обусловленная ползучестью, может способствовать значи-тельному росту напряжений в отдельных зонах конструкции. При этом, учитывая действие низких температур эксплуатации, существенно усиливается опасность хрупкого разрушения. При низкотемпературных испытаниях ползучести необходимая температура создается за счет того, что образец находится в среде охлаждающей жидкости, а постоянное нагружение передается на образец через верхний или нижний захват испытательной машины.
Таблица 2.1.
Обозначения основных механических свойств по отечественным
и зарубежным стандартам
Свойства |
Обозначение, стандарт |
Определение | |
отечест- венный |
зару- бежный | ||
1 |
2 |
3 |
4 |
Модуль упругости (elasticmodulus) |
Е |
Е |
Отношение приращения напряжения к соответ-ствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации |
Предел текучести физический |
σ |
Re |
Напряжение, при котором материал изменяет свою длину при постоянной нагрузке |
Предел текучести условный (yield strength) |
σ 0,2 |
Rp0.2 |
Напряжение для матери-алов, не имеющих площад-ки текучести, при котором остаточное удлинение составляет 0,2 % первона-чальной длины |
Временное сопротивление, или предел прочности (tensilestrength) |
σв |
Rm |
Напряжение, соответ-ствующее наибольшей нагрузке, предшеству-ющей разрушению образца
|
1 |
2 |
3 |
4 |
Относительное удлинение (specificelongation) |
δ |
А5,А10 |
Отношение приращения расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине, % |
Относительное сужение (reductionofarea) |
Ψ |
Z |
Отношение разности пер-воначального сечения и минимальной площади поперечного сечения образца после разрушения к первоначальной площа-ди, % |
Предел ползучести (creeplimit) |
σ |
R |
Пример: напряжение, которое вызывает де-формацию 0,2 % за 100 ч при 700°С |
Предел длительной прочности (stress-rupturestrength) |
σ |
R |
Пример: напряжение, вы-зывающее разрушение ме-талла за 1000 ч испытаний при постоянной темпера-туре 700°С |
Предел выносливости (fatiguestrength) |
σR |
σк, τк |
Максимальное напря-жение, которое вы-держивает материал не разрушаясь при дос-таточно большом числе повторно – переменных нагружений (циклов) |