Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

otdat_GOS_SDM / Детали машин ГОС СДМ / конструктивная прочность

.doc
Скачиваний:
55
Добавлен:
10.04.2015
Размер:
54.27 Кб
Скачать

Вопрос записан в детали машин, но относится к материаловедению

ПОНЯТИЕ О КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ.

Под несущей способностью обычно понимают способность конструкции сопротивляться наступлению предельных состояний. Несущая способность конструкции связана с действующими напряжениями и прочностью и вбирает в себя понятие прочности. Например, появление течи вследствие нарушения сплошности от коррозии непосредственно не связано с прочностью, но является предельным состоянием, определяющим несущую способность конструкции. Под прочностью в широком инженерном смысле понимают способность материала или детали сопротивляться разрушению, наступлению текучести, потере устойчивости, распространению трещин. Факторы, способные оказать существенное влияние на несущую способность сварной конструкции:

  • Действующие нагрузки и вызываемые ими напряжения;

  • Характер приложения нагрузок, статический или динамический (пульсирующий симметричный, случайный);

  • Концентрация действующих напряжений: неравномерность приложения нагрузки, наличие дефектов;

  • Собственные остаточные напряжения;

  • Температура эксплуатации;

  • Среда и порождаемые ею физические и химические процессы на поверхности;

  • Время эксплуатации.

Влияние всех вышеперечисленных факторов сказывается на состоянии материала через изменение его свойств:

  • Упругость, выражаемая модулем упругости, и пластическая деформируемость;

  • Прочность, определяемая пределом текучести и временным сопротивлением;

  • Пластичность в виде относительного удлинения и поперечного сужения;

  • Твердость;

  • Ударная вязкость;

  • Коррозионная стойкость;

  • Способность материала воспринимать высокие температуры (жаростойкость и жаропрочность) и низкие (хладостойкость);

  • Усталостная прочность и старение материала.

В конкретных условиях эксплуатации указанные факторы выступают в сложном взаимодействии и определяют конструктивную прочность изделия – как установленную в результате эксплуатации или испытания при конкретных свойствах материала, значении и характере действия нагрузок, температуре, среде, технологии изготовления, способность конструкции сопротивляться наступлению тех предельных состояний, от которых зависят ее служебные свойства. Ограничение числа факторов, учитываемых в расчетах, вызвано рядом причин:

  • Недостаточность современных знаний для построения универсального расчетного аппарата;

  • Сложность теории, одновременно учитывающей влияние большого количества факторов;

  • Высокая стоимость и длительность испытаний для создания и применения такой теории;

  • Стремление обеспечить доступность расчетов для лиц с базовой инженерной подготовкой.

Это приводит к необходимости введения такого понятия как расчетная прочность. Расчетная прочность – это установленная в результате расчета путем использования экспериментальных характеристик материала и аппарата теории способность конструкции сопротивляться наступлению тех предельных состояний, от которых зависят ее служебные свойства. Причины несовпадения расчетной и конструктивной прочности.

  • Однофакторность методов инженерных расчетов, не позволяющая вести комплексный учет многочисленных совместно влияющих факторов вследствие сложности построения теории. Например, расчет на статическую прочность по предельному состоянию наступления предела текучести предусматривает сравнение среднего напряжения с пределом текучести металла без учета концентрации напряжения.

  • Временное исключение из рассмотрения слабоизученных факторов, которые впоследствии оказываются в ранге основных. Например, разная способность воспринимать напряженное состояние в местах наличия дефектов у пластичных и высокопрочных материалов.

  • Неправильный выбор предельных состояний и критериев для оценки прочности конструкции. Например, использование при оценке несущей способности конструкции только силовых критериев, а не сочетания их с деформационными, что особенно ощутимо в местах концентрации напряжений.

  • Вероятностная природа формирования конструкционной прочности. Например, для различных случаев возможно неблагоприятное сочетание факторов, определяющих конструкционную прочность.

  • Вероятностный характер появления и распределения дефектов в сварных конструкциях, что трудно учесть заранее. Например, «внезапное» появление дефекта в конструкции, невозможность обнаружения дефекта современными способами дефектоскопии, простая невнимательность в обнаружении дефекта.

Высокая  конструктивная  прочность  изделия  достигается  только  тогда, когда  оно  изготовлено  из  материала, обладающего  большой  прочностью  и  высоким  сопротивлением  хрупкому  разрушению. Этим  требованиям  в  значительной  степени  отвечают  без  углеродистые ( ≤0.03 % С ) мартенситно-стареющие  стали, углерод  и  азот  в  составе  которых – вредные  примеси, снижающие  пластичность  и  вязкость  стали . Эти  стали  упрочняются  закалкой  и  последующим  старением .

Следует  вспомнить, что  мартенсит  является  упорядоченным  пересыщенным  твердым  раствором  внедрения  углерода  в  α – Fe: содержание  углерода  в  мартенсите  может  быть  таким  же, как и  в  исходном  аустените, т. е. может  достигнуть  2,14 %.

Мартенситное  превращение  происходит  только  в  том  случае,  если  быстрым  охлаждением  аустенит  переохлаждён  до  низких  температур, при  которых  диффузионные  процессы  становятся  невозможными. Мартенситное  превращение  носит  бездиффузионный  характер, т. е.  не  сопровождается  диффузионным  перераспределением  атомов  углерода  и  железа  в  решетке  аустенита.

Мартенситное  превращение  осуществляется  путем  сдвига  и  не  сопровождается  изменением  состава  твердого  раствора. Сдвиговой  механизм  превращения  отличается  закономерным  кооперативным  направленным  смещением  атомов  в  процессе  перестройки  решетки. Отдельные  атомы  смещаются  друг  относительно  друга  на  расстояния, не  превышающие  межатомные.

Пока  на  границе  мартенсита  и  аустенита  существует  сопряженность  решеток (когерентность), скорость  образования  и  роста  кристаллов  мартенсита  очень  высока (~ 1000 м/с).

Вследствие  разности  удельных  объемов  мартенсита  и  аустенита  увеличиваются  упругие  напряжения  в  области  когерентного  сопряжения, что,  в  конечном  счете,  приводит  к  пластической  деформации  и  образованию  межфазной  границы  с  неупорядоченным  расположением  атомов.

При  переохлаждении  аустенита  до  температуры, соответствующей  точке  МНS  в  иностранной  литературе)  аустенит  превращается  в  мартенсит. Таким  образом,  МH – температура  начала  мартенситного  превращения. Если  непрерывное  охлаждение  стали  прекратить, то  превращение  остановится. Чем  ниже  охладить  аустенит, тем  больше  образуется  мартенсита.

По  достижения  определенной  для  каждой  стали  температуры (MK)  превращение  аустенита  в  мартенсит  прекращается. Эту  температуру окончания  мартенситного превращения обозначают MK. Положение  MH  и  MK  не  зависит  от  скорости  охлаждения, а  обусловлено  химическим  составом  аустенита : чем  больше  в  аустените  углерода, тем  ниже  MH  и  MK . Все  легированные  элементы, растворенные  в  аустените, за  исключением  Co  и  Al , понижают   MH  и  MK  (рис.1).

Если  задержать  на  некоторое  время  охлаждение  при  температуре, лежащей  ниже  температуры, соответствующей  MH, например  20ºC , то, аустенит, сохранившийся  не  превращенным  при охлаждении до этой температуры, становится  устойчивым (Аост). Это  явление  стабилизации  проявляется  более  сильно  в  интервале  температур  MH…MK  и  зависит  от  температуры, при  которой  задержалось  охлаждение. Температура, ниже  которой  проявляется  этот  эффект  стабилизации, обозначается  MС.

 Особые задачи стоят по повышению конструктивной прочности сварных изделий, которые во многих случаях отличаются от номинальной прочности образцов при статических испытаниях в условиях одноосных напряжений. В течение последних лет в России и за рубежом большое внимание уделялось исследованиям конструктивной прочности сварных тонколистовых конструкций. Особенно четкие различия между конструктивной прочностью и номинальной при одноосных напряжениях были получены в процессе испытаний конструкций баков небольшого объема из титановых сллавов. Опытным путем было установлено, что с повышением пластичности сплавов повышалась конструктивная прочность баков; напротив, сплавы с более высокой номинальной прочностью образцов показали худшие результаты при изучении конструктивной прочности изделий с концентраторами. Причиной этого явления оказалась высокая чувствительность к концентраторам напряжений высокопрочных титановых сплавов.

Увеличение прочности достигается созданием соответствующих композиций сплавов и технологии обработки. При этом происходит изменение состава и природы фаз, образующих сплав, их количества и размера, характера распределения дислокации и других дефектов кристаллического строения. Поэтому устанавливают связь между структурой и конструктивной прочностью металлов и сплавов.

 Дисперсными частицами часто являются химические соединения. Чем сложнее кристаллическая решетка фазы упрочнителя и чем больше отличается ее состав от основного твердого раствора, тем сильнее упрочнение. Химические соединения, особенно карбиды и нитриды, имеют высокую твердость, но хрупки. Например, твердость карбида вольфрама WC составляет Н1790, карбида титана 'ПС — Н2850, нитрида титана TiN — Н3230. Таким образом, для получения сплавов с высокой конструктивной прочностью нужно, чтобы основной твердый раствор (матрица) имела мелкозернистое строение с развитой внутренней субструктурой, в которой равномерно распределены высоко-дисперснвш частицы упрочняющей фазы- Такая структура сплава обеспечивает получение полупроницаемых барьеров для движущихся дислокаций и сочетание высокой прочности (оп, от), пластичности (б, i[-), вязкости разрушения {Kic), вязкости (KCU, KCV, КСТ) и низкой температуры вязкохрупкого перехода (по-рор хладноломкости t50).

 Низколегированные стали имеют более высокую конструктивную прочность в горячекатаном и нормализованном состояниях (рис. 167, НЛГК). После термической обработки низколегированных сталей от возрастает, a tb0 практически не меняется. Верхняя часть области НЛГК относится к сталям с карбидным упрочнением (14Г2АФ, 15Г2СФ и др.), а нижняя — к сталям 14Г2, 10Г2С1, 15ХСНД и др. (см. с. 262). Высокой конструктивной прочностью обладают низколегированные строительные стали после контролируемой прокатки (рис. 167, НЛКП). Машиностроительные легированные стали после закалки и низкого отпуска имеют высокую прочность сгт, но склонны к хрупкому разрушению (рис. 1§7, Лзно)- Улучшение в зависимости от температуры отпуска и состава стали обеспечивает низкий порог хладноломкости при достаточной прочности 0Т (рис. 167, ЛЗБ0). Наилучший комплекс механических свойств (сгт, Kic, tb0) легированные стали имеют после ТМО (рис. 167, Лтмо).

 Выбор конструкционных материалов для изготовления соответствующих изделий (деталей машин, приборов и конструкций, а также инструментов) определяется в первую очередь совокупностью их механических свойств, называемой конструктивной прочностью.

 Мартенситно-стареющие стали обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладноломкости при прочности порядка 2000 МПа. Эти стали характеризуются высокой прокаливаемостью, хорошей свариваемостью, легкой деформируемостью в закаленном состоянии, малым короблением в процессе термической обработки. Мартенситно-стареющие стали представляют собой безуглеродистые (С < 0,03%) сплавы железа с 8—25% Ni, дополнительно легированные Со, Mo, Ti, Al, Cr и другими элементами. Благодаря высокому содержанию никеля, кобальта и малой концентрации углерода в результате закалки от 1220—820 °С в воде или на воздухе фиксируется высокопластичный (8 = 18—20%, v = 75—85%, KCU = 2—2,5 МДж/м2), но низкопрочный (а„ < 1100 МПа) железоникелевый мартенсит, пересыщенный легирующими элементами. Его в дальнейшем можно деформировать с большими степенями обжатия. Главное упрочнение происходит в процессе старения при температурах 450—550 °С за счет выделения из мартенситной матрицы когерентно с ней связанных мелкодисперсных фаз (NiTi, Ni3Ti, NiAl, (Ni,Fe)Al, FejMo и др.). Детали из листов и прутков малого сечения закаливают с температуры 820 °С с последующим старением при 500 °С. Детали большой толщины из стали ОЗН18К9М5Т подвергаются сложной термической обработке, включающей первую закалку с 1200 °С, последующую трехкратную закалку с 940 °С и старение при 520—540 °С (табл. 7.3). При этом закалку осуществляют в воде (до потемнения поверхности), а затем охлаждают на воздухе. Мартенситно-стареющие стали обладают высокой конструктивной прочностью в интервале температур от криогенных до 500 °С и рекомендуются для изготовления корпусов ракетных двигателей, стволов артиллерийского и стрелкового оружия, катапульт самолетов, шасси, гидрокрыльев, корпусов подводных лодок, батискафов, деталей криогенных сосудов, высоконагруженных дисков турбомашин, зубчатых колес, шпинделей, червяков и т. д.