Конструкционная прочность материалов и критерии ее оценки
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

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

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках критериями прочности являются временное сопротивление σв и предел текучести σ0,2т), характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Поскольку при работе большинства деталей пластическая деформация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести. Для приближенной оценки статической прочности используют твердость НВ (для сталей справедливо эмпирическое соотношение σв = НВ/3).

Для деталей, испытывающих длительные циклические нагрузки используют критерий прочности – предел выносливости σв (при симметричном круговом изгибе σ-1).

По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения, и меньше размеры и масса детали.

Однако повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций

упр ,

где Е – модуль нормальной упругости.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости.

Возможно и противоположное требование. Для пружин важно обеспечить большие упругие перемещения. Поскольку = σупр, то от материала требуются высокий предел упругости и низкий модуль упругости.

Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важна эффективность материала по массе. Она оценивается удельными характеристиками: удельной прочностью σв/(  и удельной жесткостью Е/( ).

Кроме стандартных механических характеристик σв и σ0,2 для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.

Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации.

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (δ, ψ) и ударной вязкостью (KCU). Необходимо учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. Это концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор).

Чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость – группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механике разрушения. В соответствии с ней очагами разрушения высокопрочных материалов служат небольшие трещины эксплуатационного или технологического происхождения (могут возникать при сварке, термической обработке), а также трещиноподобные дефекты (неметаллические включения, скопления дислокаций и т.п.). Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчетные напряжения (рис. 13.1).

Для трещины длиной l и радиусом к напряжение в вершине

σ = 2 σср                                                 (13.1)

Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее ее вершина.

Для пластичных материалов опасность таких дефектов невелика. В результате перемещения дислокаций у вершины трещины протекает местная пластическая деформация, которая вызывает релаксацию (снижение) локальных напряжений и их выравнивание.

Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам. В силу того, что дислокации заблокированы и пластическая деформация невозможна, при увеличении средних напряжений локальные напряжения σ повышаются настолько, что вызывают разрыв межатомных связей и развитие трещины. Рост трещины не тормозится, как в пластичных материалах, а наоборот, ускоряется. После достижения некоторой критической длины наступает самопроизвольный лавинообразный рост трещины, вызывающий хрупкое разрушение.

Оценку надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (меньше критического) проводят по критериям Ж. Ирвина. Им предложено два критерия трещиностойкости, из которых наибольшее применение имеет критерий К – коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины. Он определяет растягивающие напряжения σу в любой точке (рис. 13.2) впереди трещины:

σу =                                                                (13.2) 

Знаменатель дроби обращается в единицу при x  0,16, поэтому К численно равен σу на расстоянии 0,16 мм от вершины трещины. Критерий К для наиболее жесткого нагружения (плоская деформация растяжением) обозначают К1, а при достижении критического значения когда стабильная трещина переходит в нестабильную, – К. Критерий К показывает, какого значения (интенсивности) достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения. Он связывает приложенное среднее напряжение с критической длиной трещины:

 К = σср                                                     (13.3)

 где α – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

Значение К определяют экспериментально на образцах с надрезом и заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной (рис. 13,3). Для расчета К при нагружении образца фиксируют усилие в момент подрастания трещины на некоторую длину и перехода ее к нестабильному распространению. Значение К зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (ее затуплении_и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины. По этой причине критерий К называют вязкостью разрушения.

Для оценки надежности материала используют также следующие параметры: ударную вязкость KCV или KCT, температурный порог хладноломкости t 50.

Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов. Параметр KCT, определяемый на образцах с трещиной усталости более показателен.

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре.

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t 50. При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

На рис. 13.4 показан случай, когда ударная вязкость двух сталей при температуре эксплуатации, равной 20  одинакова. Однако переход в хрупкое состояние стали 1 (мелкозернистой) заканчивается при -40 , а стали 2 (крупнозернистой) при 0 . Сталь 1 более надежна в работе, так как возможное понижение температуры эксплуатации относительно расчетной при наличии трещин и ударной нагрузки не вызовет в ней хрупкого разрушения.

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причины потери работоспособности (постепенного отказа) разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии радиационного разбухания и др. эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Износостойкость характеризует сопротивление материала разрушению поверхности путем отделения его частиц под воздействием силы трения. Износостойкость оценивают величиной, обратной скорости изнашивания.

Долговечность деталей, работающих при высоких температурах (детали энергетических установок, реактивных двигателей) определяется скоростью ползучести – скоростью развития пластической деформации при постоянном (ниже предела текучести) напряжении. Ограничение скорости ползучести достигается применением жаропрочных материалов.

Долговечность деталей, работающих в атмосфере нагретых сухих газов или жидких электролитов, зависит соответственно от скорости химической или электрохимической коррозии. Работоспособность в таких средах сохраняют жаростойкие и коррозионностойкие материалы.

Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

1. Критерии прочности σв, σ0,2, σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;

2. Модули упругости E , G, которые при заданной геометрии детали определяют величину упругих деформаций, т.е. ее жесткость;

3. Пластичность , ψ, ударная вязкость КСТ, KCV , KCT, вязкость разрушения К, порог хладноломкости t 50, которые оценивают надежность материала в эксплуатации;

4. Циклическая долговечность, скорость изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

Дата: 2019-02-18, просмотров: 1107.