Критерии оценки конструкционной прочности материалов

Конструкционная прочность - ком­плексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надеж­ности и долговечности.

Критерии прочности материала выби­рают в зависимости от условий его ра­боты. Критериями механической прочности при стати­стических нагрузках являются времен­ное сопротивление или предел теку­чести, характеризующие сопро­тивление материала пластической деформации. Для приближен­ной оценки статической прочности ис­пользуют твердость по Бринеллю НВ.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким мо­дулем упругости (или сдвига), являю­щимся критерием его жесткости. Имен­но критерии жесткости, а не прочности обусловливают размеры станин стан­ков, корпусов редукторов и других дета­лей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требо­вание. Для пружин, мембран и других упругих элементов при­боров, наоборот, важно обеспечить большие упругие перемещения. В этих случаях материал должен обладать большим пределом упругости.

Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важ­ное значение имеет плотность мате­риала, удельная прочность.

По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем боль­ше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали.

Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает вне­запный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью, а также возможных аварийных последствий.

Для предупреждения хрупкого разру­шения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластич­ностью и ударной вязкостью. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, увеличивающие опасность хрупкого разрушения: концентраторы напряжений (над­резы), понижение температуры, ударные нагрузки.

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнаши­вания, ползучести, коррозии, радиацион­ного разбухания и пр. Эти процессы вызывают постепенное накопление не­обратимых повреждений в материале и его разрушение.

Выносли­вость или циклическая долговечность характе­ризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющих­ся циклов напряжений. Большинство деталей машин испыты­вает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности - предел вынос­ливости.Процессы постепенного накопления повреждений в материале под дей­ствием циклических нагрузок, приводя­щие к изменению его свойств, образова­нию трещин, их развитию и разруше­нию, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносли­востью.

Износостойкость – свойство материа­ла оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев мате­риала под действием сил трения. Результат изна­шивания называют износом. Его опре­деляют по изменению размеров, уменьшению объема или массы.

Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно соответствуют условиям эксплуатации.

 

 

Сплавы железа с углеродом

 

Диаграмма состояний сплавов железо-углерод (рис. 52) характеризует фа­зовый состав и превращения в системе.

Железо и углерод – полиморфные элементы и в разных частях диаграммы существуют разные кристаллические фазы и структуры, обозначенные буквами.

Ф – феррит или α- железо, твердый раствор углерода в α-железе, мягкая, пластичная фаза, имеет ОЦК решетку, d = 40%, НВ = 1000 МПа. Существуют области феррита при высокой и при низкой температуре. Растворимость углерода в феррите мала, при низких температурах составляет 0,02%. Высокотемпературный феррит часто называют δ- железом.

А – аустенит или g- железо, это твердый раствор углерода в γ-железе, имеет ГЦК решетку, пласти­чен, его твердость НВ = 2000 МПа.Раствори­мость углерода в аустените достигает 2,14%.

Ц – цементит или соединение Fe₃C. Содержание углерода 6,69%. Это очень твердая и хрупкая фаза. НВ = 8000 МПа.

С – точка эвтетики, механическая смесь фаз аустенита и цементита, содержание углерода 4,3%.

Л – Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, содержит чередующиеся зерна фаз цементита и аустенита. Ледебурит твердый, хрупкий и непластичный. НВ = 6000 МПа

S – эвтектоидная точка, механическая смесь фаз феррита и цементита. Соответствует содержанию углерода 0.8%

П – Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Пластичен d = 16%, твердость НВ = 2200 МПа.

Ледебурит и перлит оказывают сильное влияние на свойства сплавов, поэтому их рассматривают как самостоятельные структурные составляющие.

 

 

Эта диаграмма делит сплавы на две группы.

1. до 2.14% С - сплавы называются сталями

2. более 2.14% С – сплавы называются чугунами.

В структуре чугунов присутствует твердый и хрупкий ледебурит, что обуславливает их непригодность к обработке давлением и затрудняет резание.

Чугуны в зависимости от содержания углерода также делятся

– доэвтектические чугуны < 4.3% С

– заэвтектические чугуны > 4.3% С

 

СТАЛИ

Существует огромное количество марок сталей с разнообразными свойствами. В СССР их выпускалось более 2000 марок. Перечисление их характеристик занимает 20 томов. Из-за такого разнообразия свойств сталь стала основным конструкционным материалом, который отвечает предъявляемым требованиям машиностроения, промышленности и строительства. Не зря XX век к называют веком стали.

Стали классифицируют по различным признакам: по назначению, химическому составу, качеству и т.д. (рис. 53). Рассмотрим маркировку и общие характеристики некоторых сталей.

 

Углеродистая сталь

Сплав железа с легирующим элементом углеродом, называется углеродистая сталь. 80% всех выпускаемых сталей – это углеродистые стали (самые дешевые). Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением, резанием, пластичны.

По ГОСТу углеродистые стали обыкновенного качества маркируются буквами Ст и цифрой от 1 до 6, в зависимости от содержания углерода. Степень раскисления обозначается индексом: спокойная сталь – СП, полуспокойная – ПС, кипящая – КП.

Например, Ст3_КП – сталь обыкновенного качества, марки 3, кипящая.

Из таких сталей изготавливают балки, швеллеры, уголки, прутки для строительства, листовой прокат, проволоку и др.

В углеродистых качественных сталях содержитсяменьше сопутствующих примесей. По ГОСТутакуюсталь обозначают цифрами 45, 85 и т.д., которые указывают процентное содержание углерода в сотых долях процента. То есть в стали 85 содержится 0,85% углерода. Далее аналогично предыдущему добавляются обозначения спокойной, полуспокойной или кипящей стали.

Этот класс сталей используется для изготовления конструкционных деталей в машиностроении: болтов, гаек, пальцев, валов, осей, и т.д.