книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1

	ств	ст0,2	Ô		<*100	tflOflO	**0,2/100
								Область применения
	МПа			%
						МПа
	900...	850	3	11	——	—	—	Лопатки сопловых аппаратов,
	1000							работающие при	температурах
	900...	850	2,5	10	510...	380	380
								до 1323... 1373 К.	Рабочие ло­
	940				530			патки турбин
	750...	520	1	6		160	200
					320
	800
	500...	320	3	7	150...	65	60
	570	260	3	7	160	—	—
	400...				120
	470
	—	—	—	_____	700	620
	—	—	—	—	530	460
	—	—	—	—	430	300	—
	—	—	—	--	190	130	____
	—	—	- -		134	—	____
	75	68	10	30	.		—	Детали, длительно работающие
	57	—	13	60	______		—	в вакууме или нейтральной и
	52		10	60
		—			370	340	—	других средах с защитными по-
	—	—	—	—	260	210	—	крытиями при температурах до
	45	—	13	70	150	90...	—	1373 К
		—	—	—	75	100
	—					45
	—	—	—	—	50	—
	fil	73	16	33	—	—
	—	—	—	—	------k	230
	—	—	—	—	280	—
	—	—	—	—	220	—
	54	45... 50	15	47	—	—
	—	—	—	—	—	—
	— .	______	_____	—	161	_
	20,6	—	—	—	80	—
	18,5	—■	—	—	—	—
	12,3	—	—	—	—	—

тиками прочности при изгибе и сжатии, низкое' сопротивление разрушению в усло­ виях резких нагревов, приводящих к большим градиентам температур, а следова­ тельно, к большим термическим напряжениям, низкая ударная вязкость н т. д. Устранение этих недостатков путем создания соединений с некоторым резервом плас­ тичности, армирования их волокнами металлов, разработки металлокерамическнх материалов, над чем ведутся интенсивные работы, может привести к широкому использованию этих материалов в технике.

Специфичными материалами, используемыми в технике при высоких темпера­ турах, являются углеграфитовые материалы. Особенно перспективно использование углеграфитовых материалов в виде нитей, которые применяются в качестве наполни­ телей композиционных материалов. Весьма интенсивно разрабатываются в настоя­ щее время композиционные материалы с использованием в качестве наполнителя тон­

ких нитей (^&DB) из тугоплавких соединений (бориды,	нитриды, оксид алюминия
и т . п.),ж от^йе имеют весьма высокую прочность при	высоких температурах.

Рис. 2.16. Зависимости 1000-часовой длительной прочности от температуры испыта­ ния различных сплавов:

1 — литой магниевый; 2 — алюминиевый; 3 — патронная латунь; 4 — спеченный материал?

5 — титановые сплавы; 6 — углеродистая сталь; 7 — сталь с 0,5 % Сг и 0,5 %;Мо;	8 ■—сталь
с 25 % Сг и 0,5 % Mo; 9 — нержавеющая сталь типа 304; 10 — та же типа ‘316;	11 — хро­

моникелевые стали с 8 % Сг; 12 — те же термически обработанные; 13 — сплавы на никеле­ вой основе (термически обработанные); 14 —• сплавы на кобальтовой основе; 15 — молибде­

новые сплавы

Работоспособность различных материалов и сплавов при высоких температурах определяется, наряду с характеристиками кратковременной прочности при этих температурах, и большим набором других характеристик (предел длительной проч­ ности, предел ползучести, термостойкость, предел выносливости при высоких тем­ пературах и т. д.), которые необходимо обеспечивать с учетом тех условий, которые характерны для деталей, эксплуатирующихся при высоких температурах.

На рис. 2.16 показаны графики изменения 1000-часовой длительной прочности различных сплавов в зависимости от температуры испытания, позволяющие судить о предельных уровнях напряжений для различных сплавов при определенных тем­ пературах [175].

На рис. 2.17 приведены данные по термической стойкости (в циклах) и длитель­ ной прочности на базе 100 ч при 1173 К для ряда жаропрочных сплавов [175].

Важно отметить, что отсутствует четкая корреляция между, различными ха­ рактеристиками свойств, определяющими их работоспособность в условиях высо­ ких температур. В частности, из рис. 2.17 следует, что сплавы, имеющие высокую длительную прочность, имеют более низкую термостойкость, и наоборот.

2.1.5. Прочность в условиях низких температур. Основным требованием к мате­ риалам, предназначен ым для использования в условиях низких температур, является сохранение при этих температурах достаточно высоких характеристик пластичности и сопротивления хрупкому разрушению, определяемых по результа­ там испытаний на ударную вязкость, трещиностойкость и т. п. В первом приближе­ нии все материалы можно разделить на материалы, существенно охрупчивающиеся с понижением температуры (углеродистые и легированные стали, тугоплавкие ме­ таллы и сплавы и т. д.), и материалы, не охрупчивающиеся или мало охрупчивающнеся с понижением температуры (аустенитные стали, сплавы алюминия, титана, ни- ■ я и т. д.).

ан, МДж/н1

Рис. 2.18. Температурные завнснмостнударной вязкости для стали и титановых сплавов

П73* к’17’ ^ е^мическая сто®кость н длительная прочность различных сплавов прг,

I — появление сквозной трещины; 2 — появление поверхностной трещины; 3 — длительнаяпрочность

Поскольку практически невозможно и экономически нецелесообразно изготавли­ вать детали, эксплуатирующиеся в условиях климатических низких температур, из дорогостоящих неохрупчивающихся сплавов, важной является проблема определе­ ния критических температур (интервалов температур) хрупкости с учетом всей сово­ купности факторов (режим нагружения, размеры образцов, наличие концентраторов и трещин, режим нагружения, наличие сварных соединений и т. п.), влияющих на эти температуры, и обеспечения этих температур на уровне ниже уровня рабочих температур.

На рис. 2.18 показаны температурные зависимости ударной вязкости для охрупчивающейся стали 17ГС и неохрупчивающихся титановых сплавов АТ-2 и. ВТ5-1 [55].

Типичные температурные зависи­ мости ударной вязкости, предела проч­ ности и относительного удлинения для хромоникелевых аустенитных сталей показаны на рис. 2.19 [86].

Наблюдающееся при понижении температур существенное увеличение предела прочности (увеличивается при этом и предел выносливости) практи­ чески трудно реализовать в связи с не­ возможностью исключения для многих машин частичной эксплуатации при комнатных температурах и снижением характеристик пластичности и трещиностойкости.

В табл. 2.6 [86] показаны области применения сталей при низких темпе­ ратурах, допускаемые температуры

ашмд>н№

н напряжения.

Повышенная

чувствитель-

ность многих материалов к дефектам в усло­

V

виях низких температур

приводит

к

много­

численным поломкам техники в условиях

низких климатических температур,

что тре­

0,6

бует специального подхода к изготовлению

этой техники.

классификация

конструкци­

Подробная

онных

материалов,

которые

используются

■6g,Ша

при

низких температурах, выполнены в ра­

боте [107].

2.7

в соответствии с этой рабо­

В табл.

1600

той приведены интервалы

рабочих

темпера­

тур

для

различных

материалов.

2.1.6. Сопротивление поверхностного слоя

1200

локальным разрушениям. Весьма часто разру­

шения деталей начинаются с локальных раз­

рушений поверхностного слоя. Инициаторами

S00 WH13M2T Х2Щ8

таких разрушений являются коррозия, фрет-

тинг-коррозия,

высокотемпературная

газо­

Г /.

вая коррозия, эрозия,

износ

и

т. д.

Такие

повреждения могут привести к хрупкому раз­

40

рушению, возникновению и развитию уста­

лостных трещин, изменению формы и геомет­

о

73

123

173

223 273 К

рии детали и т. п. Работоспособность деталей

в этих условиях обеспечивается выбором со­

Рис. 2.19.

Ударная

вязкость

ан,

ответствующих

конкретным

условиям

экс­

-предел прочности ав и удлинение ô

плуатации материалов и технологий их

обра­

хромоникелевых

аустенитных

ста­

ботки, а также использованием специальных

лей при

низких

температурах

технологий

механической,

термической,

этого слоя и нанесением на него

химико-термической и других обработок

различных покрытий с использованием диффу­

зионной, электроннолучевой, плазменной, электроискровой, детонационной

и

дру­

гих технологий.

АК/К0

1,0

11000

11000

Рис. 2.20. Интенсивность изменения химиче­

3000

ского

состава

поверхностного

слоя

сплава

3000

ЭП99,

испытанного в

эксплуатационном

(Э)

и стендовых (/, II, III) режимах при различ­

2000

2000

ных наработках

0,5

то

2500gg

25001— I

Сг

Нп

Al

Ш

П

Ш Метил

Т И з М ' Х Ж з Ж

I Ж з

I U $

1 3

Э Ш Х £ Э

Ш

1—1 L -1

ш

f t

'яоо

3000

2500,

!500пп

- 0,5

2000

2Шт

п

«W W

3000

3000

2000

3000

1Ш

11000

Но L

т о

характерном для продуктов сгорания керосина, к концентрации в неповрежден­ ном материале k0 для различных элементов, входящих в состав этого сплава. Мак­ симальное отклонение химического состава наблюдалось в слое глубиной 0,005...

0,025 мм 1159]. Существенно на рассматриваемый процесс влияет химический состав высокотемпературного газового потока (наличие солей, ванадия и т. п.), что требу­

ет выбора материала, который обладал бы наибольшей стабильностью

в конкретном

газовом

потоке.

Катастрофически на характеристики сопротивления разрушению, и прежде

всего при

усталостном разрушении,

влияют

мелкие

поверхностные

дефекты.

Т а б л и ц а

2.7.

Температурные

интервалы

применения

различных

конструкционных материалов

Температура, К

Материал

1073

123

223

193

77

20

4

Сталь

обыкновенного

ка­

углеродистая

• ••

чества

конструкционная

углеродистая

• • •

качественная

конструкционная

• • • ------------------

• • •

легированная

--— , • • •

высоколегированная аустенитная

• • • -------------------------------------------

Алюминиевые сплавы

до 5 %

магния

-------------------------------------------------------

•••

до 6 %

меди

----------------------------------------------

•••

с магнием, цинком и медью

------------------------------------

Сплавы титана на основе

• • •

а-фазы

• • *----------------------------------------------I

I

—■.* **

ос

Р-фазы

. . .

Р-фазы

• • •.............................................................

Бронза

кремнистая

------------------------------------

•• •

бериллиевая

---------------------------------------------

Сплавы

никеля

монель

-------------------------------------------------------

ХН77ЮР

----------------------------------------------------------------

Тугоплавкие сплавы

ВМ-1А

■—-------------------------------, —

ВМ-4

материалы

на

Композиционные

ос­

нове

_________________ ♦♦ •

железа

меди

--------------------------------

• • •

кобальта

...............................................

П р и м е ч а н и е . Здесь----------

— рекомендуется для

применения ; ...

— возможно

примене­

ние в некоторых случаях.

В табл. 2.9 [211] приведены результаты влияния этих дефектов, инициированных различными способами, на предел выносливости сталей с различным уровнем проч­ ности.

2.1.7. Стабильность свойств в процессе эксплуатации. Важной характеристи­ кой качества материалов является стабильность их свойств в течение заданного срока эксплуатации. Один из наиболее опасных признаков нестабильности материалов — их охрупчивание, приводящее к снижению характеристик пластичности, повыше­ нию критической температуры хрупкости, снижению вязкости разрушения и т. п. Наиболее существенно развивается охрупчивание при эксплуатации металлов и спла­ вов в водородосодержащих средах, при воздействии радиационных потоков и т. п.

Рис. 2.22. Изменение предела прочности (а) и относительного удлинения (б) сажена­ полненных резин различного состава (J...3)

что даже небольшая выдержка (72 ч) при 373 К для некоторых полимеров резко сни­ жает предел прочности и относительное удлинение [88].

2.1.8. Технологичность изготовления и воспроизводимость свойств. Какими хо­ рошими не были бы свойства материала, полученные на лабораторных образцах, практическое использование материала может быть обеспечено лишь после того, как будут разработаны достаточно эффективные технологии изготовления из этих мате­ риалов деталей (без ухудшения свойств материала) и обеспечена воспроизводимость

Т а б л и ц а 2.9. Влияние поверхностных трещин на предел выносливости стальных цилиндрических образцов при изгибе

	ti 03
Способ получения тре­	S c
	SS
щин	Предел чести,
Растяжение азотиро­	600
ванных образцов	750
Повторные удары	950
	710
Коррозия	240—
	270

240—

270

Предел прочности, МПа

710

900

1050

830

560—

620

560—

620

1

\Э

О Й a Л

Диаме!разцов

7,5

7,5

7,5

10,0

6,0

6,0

1

О

а

н

«а £ Глубинмщнн,

0,8

0,7

0,6

0,2

0,2

\

0,6

Предел выносли­ вости, МПа

без	с тре­
трещин	щинами
480	80	6,0
580	140	4,1
740	150	4,9
520	80	6,5
320	140	2,3
320	120	2,7

свой тв в деталях в процессе их серийного производства. Наиболее часто для изго­ товления деталей используют такие процессы, как литье, обработка давлением, сварка, механическая обработка, порошковая металлургия и т. д. Известно много примеров, когда плохая технологичность материалов не позволила обеспечить массо­ вое изготовление деталей из, казалось бы, перспективных материалов. Технологии изготовления деталей подробно рассмотрены в литературе.

Важна также воспроизводимость свойств материала в процессе принятой техно­ логии его изготовления. Известно, что свойства металлов, сплавов и других материа­ лов существенно зависят от наличия в них вредных примесей (азота, водорода, угле­ рода, кислорода, серы и других), вносимых в них в процессе производства. В ряде случаев даже незначительное количество таких примесей приводит к катастрофиче­ скому снижению пластичности, ударной вязкости, повышению критической темпе­ ратуры хрупкости и т. п.

Та б л и ц а

исплавов

Металл и сплав

Никель

Медь

Железо

Алюминий

1XI8H9T

1Х18Н9

1Х18Н9Т

1Х18Н12

1Х18Н12М2Т

1X1SHI7

Инконель

2.10. Влияние облучения на механические свойства металлов

					Условие облучения		сэ	ITJ		04
							г*
							1—»	С		2
Состояние материала					нейтрон/	Г, к	S	*		Я
					сма		л	bсо	о	« •s
Отжиг	при		1073 К	1 ч	(I—1,5)• Ю20	523...573	1140	400	59	0,43
							2070	620	34	0,33
Отжиг	при		973 К	1 ч	(I—5)-10=°	523...573	820	220	59	0.14
							1050	250	35	0.6
То же					(1-5). 10го	523...573	1260	350	40	0,34
							2350	580	13	0,035
Отжиг					(1-5). 10м	523...573	330	71	34	0,36
							290	73	32	0.59
Закалка		с	1373 К, вода		2,43.10s0	353	—	620	71	2.4
								800	36	0,82
Стабилизация при					З.МО20	353	—	640	66	—
1123 К								700	36
Закалка		с	1373 К, во­		3,1-1020	353	1570	620	69	—
да							2520	710	47
То же					3,1. Ю20	353	1500	630	77	—■
							2600	750	49	—
»					з .ы о ”	353	1350	540	65
							,2350	660	41
»					3,1•юи	353	1430	600	71
							2410	' 700	43	—
»					3,1 • 10”	353	1310	510	58
							2320	630	36
Г					4,5-10“	293	1750	740	31
							2400	810	29

	н			4,5-10“		293	—	1060	—	—*■
								1210
Инконель X	г			4,6-1о“		293	2090	880	37	—
							2650	930	23
	н			4,5-10“		293		1220
								1430	"
Хастелой С	г			4.5-	10“	293		970	20
деформи­								1000	12
рованный				4.5-	10“	293	—	1390		—
	н
								1550
литой	г			4,5-10“		293	—	530	—*
								730
	н			4,5-10”		293	—	600	—	—
								780
ЭИ437Б	По ТУ			7.10“		423	—	1030	20	•—
								880	13
ХН60В	То же			7-10”		423	—	870	35
								1000	26
	Закалка	с	1273 К,	2.10“		423...473	—	1350	16	*1-
								1350	12
	масло, +		старение
	16 ч,	воздух (мел-
	кое зерно)

						Условие облучения		со	сз		•au
								С	м
Металл									Ее		f
	Состояние материала '					нейтрон/		S		s?
и сплав							Т, К	â	Й
						см1				. <?
								te	О
ЭИ696М	Закалка	с 1393			К,	2-10”	423..,473	““	ИЗО	14	—
	масло, +		старение						1300	9.0
	1053 К, 16 ч +			893 К,
	10 ч	с	1373 К,		3 ч,	7-10*»	423		1030	18
	Закалка
	масло, +		1053 К,						1010	14
	16 ч +	893 К,		10 ч,
Х20Н30ВМБ	воздух	с	1353		К —	4,36-10*°	373..	.393	860	40	мы*
	Закалка
	1393 К, воздух								ИЗО	17
						2,Б-10”	373..	.423 —	860	40	•в*
									930	39

П р и м е ч а н и я : 1. В числителе указаны значения до испытаний, в знаменателе-* после •испытаний. 2 Г— гладкий образец, Н — образен с надрезом.

Рис, 2.23. Влияний углерода, азота, кислорода и серы на переход хрома из пластич­ ного в хрупкое состояние при испытаниях на растяжение:

^ллошные лянин — рекристаллизованный. пунктирные — деформированный материал