Что называется жаростойкостью, жаропрочностью металлов?

Что называется износостойкостью радиационной стойкостью?

 

 

Понятие о конструкционной прочности металлов

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации.

Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени). В зависимости от условий эксплуатации изделий, в комплексе характеристик, определяющих конструкционную прочность, превалируют те или иные свойства и их сочетания.

Так, в условиях статического нагружения критериями прочности являются предел текучести – σ_0.2, МПа (мегапаскаль) (напряжение, при котором остаточная пластическая деформация составляет 0,2 %) и временное сопротивление (предел прочности) - σ_в, MПа. Определяют эти характеристики при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение путём анализа кривых, построенных в координатах «нагрузка – деформация», называемых кривыми деформации.

Механические свойства, установленные испытанием на растяжение, не могут служить достаточной характеристикой прочности металлов из-за значительных различий между условиями испытаний и работы в реальной машине. Наиболее полно конструкционная прочность металлов может быть выявлена при проведении помимо механических, проведением ещё стендовых, натурных и эксплуатационных испытаний.

Понятия надежности (сопротивления разрушению) и долговечности (способности разрушаться за многие акты нагружения) существуют применительно и к металлам.

Надёжность оценивается по ударной вязкости (КСU, или a_k, МДж/м²), т. е. по работе разрушения материала и по трещиностойкости – К1с, МПа×мм^1/2 или, другими словами, способности материала противостоять развитию трещин.

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного ресурса. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие усталости, изнашивания, ползучести, коррозии и др. Работоспо-собность конструкционных материалов зависит от условий их эксплуатации и характеризуется такими параметрами, как: сопротивление ползучести (под нагрузками при высоких температурах), сопротивление усталости (при циклических нагружениях) и сопротивление износу (истиранию при трении соприкасающихся поверхностей).

Определение всех вышеперечисленных характеристик проводится путём проведения специальных испытаний

Контрольные вопросы

Что называется конструктивной прочностью материалов?

Какие свойства характеризуют конструктивную прочность материалов? 3. Какие характеристики материалов являются критериями прочности?

Как определяются прочностные характеристики материалов?

Являются ли механические свойства материалов, выявленные испытаниями на растяжение, достаточной характеристикой прочности? Если нет, то какие ещё проводят испытания?

Что понимается под надёжностью материалов?

Что характеризует долговечность изделий?

Какие могут быть причины потери работоспособности изделий?

 

Теоретическая и техническая прочность.

Методы упрочнения металлов

Прочность - это свойство твердых тел сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под воздействием внешних сил. Поэтому увеличению прочности придают первостепенное значение, стремясь одновременно обеспечить и достаточную пластичность.

Теоретическая прочность металлов выражается формулой

τ_теор= G/2 p,

где G— модуль сдвига, представляющий собой коэффициент пропорцио-нальности между касательным напряжением τ и относительным сдвигом ε.

Числовые значения модуля сдвига G следующие: для железа — 77 000 МПа, для меди — 44 000 МПа, для алюминия—27000 МПа.

Техническая прочность металлов, определяемая значениями механичес-ких свойств σ_в, σ_т и др., значительно меньше теоретической. Фактическая прочность уменьшается главным образом вследствие наличия в металле несовершенств (дефектов).

Повысить прочность металла — значит продлить жизнь машин, обору-дования, уменьшить их массу, улучшить надежность, повысить долговечность, экономичность и снизить металлоемкость.

На рис. 1. 32приведены методы, используемые в практике для повыше-ния прочности металлов и сплавов. Все современные методы упрочнения металлов направлены на создание условий торможения дислокаций за счет увеличения их плотности, взаимо-действия дислокаций с атомами легирующих элементов, измельчения блоков, образования дисперсных частиц карбидов, нитридов и т. п. К наиболее прогрессивным методам упрочнения относят легирование, термическую и термомеханическую обработки, деформационное упрочнение и др.

Прочность металлов может быть повышена за счет создания бездефектных структур. Например, почти бездислокационные нитевидные кристаллы (усы) железа имеют прочность σ_в =13000 МПа, а техническое железо — только 300 МПа. Вторым фактором повышения прочности металлов является увеличение количества (повышение плотности) различных дефектов, в том числе и дислокаций (об этом см. раздел 4, с.44).

 

Рис. 1.32. Классификация методов упрочнения металлов

 

Рассмотрим два случая влияния легирования на прочность металлов.

Первый — когда в результате взаимодействия легирующего элемента с основным металлом образуется твердый раствор на базе решетки основного металла.

Второй — когда легирование приводит к образованию новой, более прочной фазы. Если эта фаза выделяется в виде сетки по границам зёрен или в виде скелетообразного каркаса, то такое распределение второй фазы снижает вязкость и пластичность материала. В случае высокой хрупкости второй фазы, расположенной по границам зерен, создаются условия для ускоренного распространения хрупких трещин в материале. Предпочтительнее, когда вторая фаза располагается в виде равномерно распределенных дисперсных частиц.

Возможность применения упрочняющей термической обработки определяется в основном типом диаграмм состояния и зависит от раство-римости легирующих элементов в металле ‒ основе, а также аллотропических превращений в металлах. Существует много способов упрочнения за счет термической обработки, которые отличаются друг от друга температурой нагрева и условиями охлаждения. В качестве примера можно привести результаты термической обработки углеродистой стали с исходной твердостью 150...200 НВ. После термической обработки (закалки) ее твердость увеличивается в 2,5...3 раза.

Химико-термическая обработка является одним из методов поверхностного упрочнения стали. При этом изменяется химический состав, строение и свойства поверхностного слоя металла. В результате такой обработки повышаются твердость, предел выносливости, износостойкость, контактная прочность и др. Например, известно, что многие детали машин и механизмов (зубчатые колеса, валы, поршневые пальцы, червяки, ролики подшипников и др.) работают в условиях износа и ударных нагрузок. Для таких деталей требуются твердая износостойкая поверхность и сравнительно мягкая сердцевина.

Упрочнение пластической деформацией (обкатка роликами, обдувка дробью и др.) используют главным образом в тех случаях, когда сплавы по каким-либо причинам не могут быть упрочнены термической обработкой.

Высокую прочность при достаточной пластичности можно получить при термомеханической обработке, которая заключается в том, что в едином технологическом процессе сочетаются деформация и закалка. В ряде случаев при этом наряду с повышением временного сопротивления s_В при растяжении значительно увеличивается предел текучести s_Т (в 1,5...2 раза).

Для упрочнения сплавов в последнее время используют такие методы, как ультразвуковая обработка, магнитная обработка, облучение частицами высокой энергии, лазерная обработка, высокие давления, ионная имплантация и т. д.

Одним из путей повышения прочности является получение компози-ционных и многослойных материалов, а также получение материалов методами порошковой металлургии.

По прогнозам материаловедов в ближайшие годы могут быть созданы специальные сплавы и стали с пределами прочности 3500...6000 МПа, а легкие сплавы —1000...1500 МПа, что значительно приблизит их техническую прочность к теоретической.

Контрольные вопросы………………………………………………

Что называется прочностью?