Критерии оценки долговечности

 

В некоторых условиях работы материал повреждается постепенно. Повреждения накапливаются и могут преждевременно вывести деталь из строя.

Условия работы:

1) циклические нагрузки (усталость);

2) зона трения (износ);

3) в агрессивной среде (коррозия);

4) высокая температура + напряжение (ползучесть);

5) в зоне радиации.

 

Повреждения неизбежны, но с помощью соответствующих критериев можно подобрать материал, способный проработать дольше.

 

1. Циклическое нагружение

- коэффициент асимметрии.

σ_R – физический предел выносливости – напряжение, нагружая ниже которого никакой усталости не наблюдается;

σ_R^N – условный предел выносливости – напряжение, которое Ме может выдержать в течении заданного количества нагружений.

Усталостное разрушение:

I – зона зарождения (всегда на поверхности или около концентратора напряжений возникает трещина);

II - зона распространения;

III – зона долома.

 

● Ме проверяется на чувствительность к концентрации напряжений,

, K_σ – коэффициент концентрации напряжений,

K_σ > 1 - наилучший вариант;

● Ме долго работает с трещиной, Ме испытывают на живучесть:

- коэффициент живучести,

τ₀ – время работы до появления трещины,

τ_разр – полное время работы, β > 1 – выше живучесть.

 

1. Износ

Δh – линейный;

Δm – по массе;

ΔV – по объему.

I – зона приработки;

II – зона установившегося износа с малой скоростью;

III – катастрофический износ.

- скорость износа, мкм/ч;

- интенсивность износа, L – путь трения.

 

Пути повышения критериев конструкционной прочности

 

1. Повышение прочностных свойств

Создать структуру, в которой затруднено перемещение дефектов:

1) наклеп – количество дефектов max;

2) дефекты – min;

3) твердые растворы;

4) измельчить зерно;

5) дисперсные частицы.

Наиболее целесообразный путь – это 4) или 5), или 4)+5), т.к. при этом одновременно с ростом пластичности сохраняется надежность материала.

 

1. Повышение характеристики надежности

1) устранить вредные примеси (S, P, As, Sb), при выплавке устраняется (либо чистая шихта, либо специальные переплавы). Уменьшение примесей улучшает все характеристики надежности, повышает цену;

2) измельчение зерна – улучшает все характеристики надежности

(1) – мельче зерно;

(2) – крупнее зерно;

3) повышение характеристик долговечности (см. далее в соответствующих разделах).

 

Глава 2. Конструкционные материалы общего назначения

 

Классификация конструкционных сталей

 

1. По химическому составу

а) углеродистые (Fe + C):

- низкоуглеродистые (%С < 0,3);

- среднеуглеродистые (%С ~ 0,3-0,7);

- высокоуглеродистые (%С > 0,7);

б) легированные (Fe + C + легирующие элементы):

- низколегированные (%лег. эл. < 5);

- среднелегированные (%лег. эл. ~ 5-10);

- высоколегированные (%лег. эл. > 10, С может отсутствовать).

 

1. По качеству (S, P, As, Sb – присутствие вредных примесей)

а) обыкновенного качества (%(S, P) < 0.1);

б) качественные(%(S, P) < 0.075);

в) высококачественные(%(S, P) < 0.05);

г) особовысококачественные (%(S, P) < 0.4 (0,002)).

 

1. По степени раскисления (в основу положено содержание в сталях О₂, Н₂)

шлак

а) кипящие (плохо раскисленные стали ―› Mn);

б) полуспокойные;

в) спокойные (хорошо раскисленные ―› Mn, Si, Al).

 

1. По уровню прочности

а) нормальная (σ_В < 1000 МПа);

б) повышенная (σ_В ~ 1000-1500 МПа);

в) высокопрочные (σ_В > 1500 МПа).

 

1. По равновесной структуре

а) углеродистые

под влиянием небольшого количества легирующих элементов, после медленного охлаждения в структуре всегда содержится перлит, такие стали можно упрочнить при помощи термической обработки;

 

б) легированные

(1) – γ-стабилизаторы, при введении их значительного количества (Ni, Mn) стали имеют структуру А при всех температурах и после любой скорости охлаждения, она не магнитная;

(2) – α-стабилизаторы (Cr, Mo, W), при вводе их значительного количества стали имеют структуру Ф, ферритные стали магнитные, самые стойкие к коррозии.

 

Итог: В сталях аустенитного и ферритного классов при нагреве и охлаждении нет превращений, значит, их нельзя упрочнить,

Стали	Медленное охлаждение	Охлаждение на воздухе (нормализация)
углеродистые	П	П
низколегированные	П	А
высоколегированные	А (Ф)	Ф

 

Все легирующие элементы смещают линии вправо, уменьшается V_{крит. охл.}, при охлаждении на воздухе можно получить мартенсит.