Методы повышения конструкционной прочности

Высокая прочность и долговечность конструкций при минимальной массе и наибольшей надежности достигаются технологическими, металлургическими и конструкторскими методами.

Наибольшую эффективность имеют технологические и металлургические методы, цель которых – повышение механических свойств и качества материала.

Из механических свойств важнейшее – прочность материала, повышение которой при достаточном запасе пластичности и вязкости ведет к снижению материалоемкости конструкции и в известной степени к повышению ее надежности и долговечности.

Прочность – свойство, зависящее от энергии межатомной связи, структуры и химического состава материала. Энергия межатомного взаимодействия непосредственно определяет характеристики упругих свойств (модули нормальной упругости и сдвига), а также так называемую теоретическую прочность.

Модули нормальной упругости и сдвига являются константами материала и структурно нечувствительны.

Теоретическая прочность (сопротивление разрыву межатомных связей) в реальных кристаллах из-за наличия структурных дефектов не достигается. Реальная прочность на два – три порядка ниже теоретической и определяется не столько межатомными силами связи, сколько структурой материала.

Сопротивление пластической деформации зависит главным образом от легкости перемещения дислокаций. В связи с этим современные методы повышения прочности материала основаны на создании такого структурного состояния, которое обеспечивало бы максимальную задержку (блокировку) дислокаций. К методам упрочнения относятся легирование, пластическая деформация, термическая, термомеханическая и химико-термическая обработка. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов.

1. Увеличение плотности дислокаций. Силовые поля вокруг дислокаций являются эффективными барьерами для других близко расположенных дислокаций. В связи с этим, чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому деформированию.

Теория дислокаций дает следующую зависимость между пределом текучести σт и плотностью дислокаций :

σт = σ0 +ɑ bG

Целесообразно увеличивать плотность дислокаций до 1012 см-2.

2. Создание дислокационных барьеров в виде границ зерен, субзерен, дисперсных частиц вторичных фаз. Подобные препятствия на пути движения дислокаций требуют дополнительного повышения напряжения для их продвижения и тем самым способствуют упрочнению. Скользящая дислокация вынуждена останавливаться у этих границ, поскольку в соседних зернах (субзернах) плоскость скольжения имеет другую ориентации. Повышение прочности при измельчении зерна описывается уравнением Холла-Петча:

σт = σ0 + k  ,

особенность этого фактора упрочнения состоит в том, что измельчение зерна (увеличение протяженности границ) сопровождается повышением ударной вязкости. Объясняется это уменьшением размеров зародышевых трещин и затруднением их развития.

Сильное торможение передвижению дислокаций создают дисперсные частицы вторичной фазы. В этом случае дислокации, перемещаясь в плоскости скольжения, должны либо перерезать частицы, либо их огибать.

3. Образование полей упругих напряжений, искажающих кристаллическую решетку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов-вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих элементов.

Упрочнение при легировании растет пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе и относительной разницы атомных радиусов компонентов.

Атомы внедрения ( C , O , H , N) могут вносить большой вклад в упрочнение, если они скапливаются на дислокациях и блокируют их, образуя сегрегации или атмосферы Коттрелла.

Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление хрупкому разрушению, т.е. надежность материала.

Формированию благоприятной структуры и обеспечению надежности способствуют рациональное легирование, измельчение зерна, повышение металлургического качества металла.

Более надежной работе высоконапряженных деталей способствует повышение чистоты металла, его металлургического качества. Повышение чистоты стали связано с удалением вредных примесей – серы, фосфора, газообразных элементов – кислорода, водорода, азота и зависящих от их содержания неметаллических включений – оксидов, сульфидов и др.

Неметаллические включения, серу и газообразные примеси удаляют из метала в процессе переплава. В промышленности применяют несколько способов переплава: вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумно-индукционную плавку (ВИП), рафинирование синтетическим шлаком.

Для повышения циклической прочности и износостойкости важно затруднить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, химико-термической обработкой (азотированием, цементацией), поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами).

Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряженных деталей. При их проектировании избегают резких перепадов жесткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.

Рассмотренные выше технологические и металлургические методы повышения конструкционной прочности сталей и сплавов включают:

1. Методы упрочнения, вызывающие увеличение плотности дислокаций и уменьшение их подвижности;

2. Методы обеспечения необходимого запаса пластичности и вязкости, предусматривающие более равномерное распределение дислокаций, а также очистку от охрупчивающих материал примесей.

Дата: 2019-02-18, просмотров: 1103.