Прочность материалов, реализуемая в элементах
конструкций, зависит не только от механических
свойств самого металла, но и от формы
и размеров детали (т. н. эффекты формы
и масштаба), упругой энергии, накопленной
в нагруженной конструкции, характера
действующей нагрузки (статическая, динамическая,
периодически изменяющаяся по величине),
схемы приложения внешних сил (растяжение
одноосное, двухосное, с наложением изгиба
и др.), рабочей температуры, окружающей
среды. Зависимость прочности и пластичности
металлов от формы характеризуется т.
н. чувствительностью к надрезу, оцениваемой
обычно по отношению пределов прочности
надрезанного и гладкого образцов
(у цилиндрических образцов надрез
обычно выполняют в виде круговой
выточки, у полос — в виде
центрального отверстия или боковых
вырезов). Для многих конструкционных
материалов это отношение при
статической нагрузке больше
единицы, что связано со значительной
местной пластической деформацией
в вершине надреза. Чем острее
надрез, тем меньше локальная
пластическая деформация и тем
больше доля прямого излома
в разрушенном сечении. Хорошо
развитый прямой излом можно
получить при комнатной температуре
у большинства конструкционных
материалов в лабораторных условиях,
если растяжению или изгибу
подвергать образцы массивного
сечения (тем толще, чем пластичнее
материал), снабдив эти образцы
специальной узкой прорезью с
искусственно созданной трещиной (рис.
3). При растяжении широкого, плоского образца
пластическая деформация затруднена и
ограничивается небольшой областью размером
2ry (на рис. 3, б заштрихована), непосредственно
примыкающей к кончику трещины. Прямой
излом обычно характерен для эксплуатационных
разрушений элементов конструкций.
Широкое распространение получили
предложенные американским учёным
Дж. Р. Ирвином в качестве констант
для условий хрупкого разрушения
такие показатели, как критический
коэффициент интенсивности напряжений
при плоской деформации K1C и вязкость
разрушения
При этом процесс разрушения
рассматривается во времени и
показатели K1C(G1C) относятся к тому
критическому моменту, когда нарушается
устойчивое развитие трещины; трещина
становится неустойчивой и распространяется
самопроизвольно, когда энергия, необходимая
для увеличения её длины, меньше
энергии упругой деформации, поступающей
к вершине трещины из соседних
упруго напряжённых зон металла.
При назначении толщины образца
t и размеров трещины 2lтр исходят
из следующего требования
Коэффициент интенсивности напряжений
К учитывает не только значение нагрузки,
но и длину движущейся трещины:
(λ учитывает геометрию трещины
и образца), выражается в кгс/мм3/2
или Мн/м3/2. По K1C или G1C можно судить о склонности
конструкционных материалов к хрупкому
разрушению в условиях эксплуатации.
Для оценки качества металла
весьма распространены испытания
на ударный о изгиб призматических
образцов, имеющих на одной стороне надрез.
При этом оценивают ударную вязкость (См.
Ударная вязкость) (в кгс․м/см2 или Мдж/м2) — работу деформации
и разрушения образца, условно отнесённую
к поперечному сечению в месте надреза.
Широкое распространение получили испытания
на ударный изгиб образцов с искусственно
полученной в основании надреза трещиной
усталости. Работа разрушения таких образцов
ату находится в целом в удовлетворительном
соответствии с такой характеристикой
разрушения, как K1C, и ещё лучше с отношением
Временна́я зависимость прочности. С увеличением
времени действия нагрузки сопротивление
пластической деформации и сопротивление
разрушению понижаются. При комнатной
температуре у металлов это становится
особенно заметным при воздействии коррозионной
(коррозия под напряжением) или др. активной
(эффект Ребиндера) среды. При высоких
температурах наблюдается явление ползучести
(См. Ползучесть), т. е. прироста пластической
деформации с течением времени при постоянном
напряжении (рис. 4, а). Сопротивление металлов
ползучести оценивают условным пределом
ползучести — чаще всего напряжением,
при котором пластическая деформация
за 100 ч достигает 0,2 %, и обозначают его
σ0,2/100. Чем выше температура t, тем сильнее
выражено явление ползучести и тем больше
снижается во времени сопротивление разрушению
металла (рис. 4, б). Последнее свойство
характеризуют т. н. пределом длительной
прочности, т. е. напряжением, которое при
данной температуре вызывает разрушение
материала за заданное время (например,
σt100, σt1000 и т. д.). У полимерных материалов
температурно-временная зависимость прочности
и деформации выражена сильнее, чем у металлов.
При нагреве пластмасс наблюдается высокоэластическая
обратимая деформация; начиная с некоторой
более высокой температуры развивается
необратимая деформация, связанная с переходом
материала в вязкотекучее состояние. С
ползучестью связано и др. важное механическое
свойство материалов — склонность к релаксации
напряжений, т. е. к постепенному падению
напряжения в условиях, когда общая (упругая
и пластическая) деформация сохраняет
постоянную заданную величину (например,
в затянутых болтах). Релаксация напряжений
обусловлена увеличением доли пластической
составляющей общей деформации и уменьшением
её упругой части.
Если на металл действует нагрузка,
периодически меняющаяся по какому-либо
закону (например, синусоидальному), то
с увеличением числа циклов N нагрузки
его прочность уменьшается (рис.
4, в) — металл «устаёт». Для конструкционной
стали такое падение прочности
наблюдается до N = (2—5) ․106 циклов. В соответствии с
этим говорят о пределе усталости конструкционной
стали, понимая под ним обычно амплитуду
напряжения
ниже которой сталь при повторно-переменной
нагрузке не разрушается. При |σmin| = |σmax|
предел усталости обозначают символом
σ-1. Кривые усталости алюминиевых, титановых
и магниевых сплавов обычно не имеют горизонтального
участка, поэтому сопротивление усталости
этих сплавов характеризуют т. н. ограниченными
(соответствующими заданному N) пределами
усталости. Сопротивление усталости зависит
также от частоты приложения нагрузки.
Сопротивление материалов в условиях
низкой частоты и высоких значений повторной
нагрузки (медленная, или малоцикловая,
усталость) не связано однозначно с пределами
усталости. В отличие от статической нагрузки,
при повторно-переменных нагрузках всегда
проявляется чувствительность к надрезу,
т. е. предел усталости при наличии надреза
ниже предела усталости гладкого образца.
Для удобства чувствительность к надрезу
при усталости выражают отношением
характеризует
асимметрию цикла). В процессе
уставания можно выделить период,
предшествующий образованию очага
усталостного разрушения, и следующий
за ним, иногда довольно длительный,
период развития трещины усталости.
Чем медленнее развивается трещина,
тем надёжнее работает материал
в конструкции. Скорость развития
трещины усталости dl/dN связывают
с коэффициентом интенсивности напряжений
степенной функцией:
Различают сопротивление термической
усталости, когда появляющиеся в
материале напряжения обусловлены
тем, что в силу тех или иных
причин, например из-за формы детали
или условий её закрепления, возникающие
при циклическом изменении температуры
тепловые перемещения не могут быть реализованы.
Сопротивление термической усталости
зависит и от многих других свойств материала
— коэффициентов линейного расширения
и температуропроводности, модуля упругости,
предела упругости и др.
Различают сопротивление термической
усталости, когда появляющиеся в
материале напряжения обусловлены
тем, что в силу тех или иных
причин, например из-за формы детали
или условий её закрепления, возникающие
при циклическом изменении температуры
тепловые перемещения не могут быть реализованы.
Сопротивление термической усталости
зависит и от многих других свойств материала
— коэффициентов линейного расширения
и температуропроводности, модуля упругости,
предела упругости и др.
Схемы деформации
при разных способах нагружения: а — растяжение,
б — сжатие, в — изгиб, г — кручение (пунктиром
показана начальная форма образцов).
Рис.
1. Схемы деформации при разных способах
нагружения: а — растяжение, б — сжатие,
в — изгиб, г — кручение (пунктиром показана
начальная форма образцов).
Типичная диаграмма
деформации при растяжении конструкционных
металлов.
Образец со специально
созданной в вершине надреза трещиной
усталости для определения K1C. Испытания
на внецентренное (а) и осевое (б) растяжение.
Изменение механических
свойств конструкционных материалов в
функции времени (или числа циклов).
19. Легированные
стали.
Легированная сталь — сталь, которая, кроме обычных примесей, содержит
элементы, специально вводимые в определённых
количествах для обеспечения требуемых
физических или механических свойств.
Эти элементы называются легирующими.
Легирующие добавки повышают
прочность, коррозийную стойкость стали,
снижают опасность хрупкого разрушения.
В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.
Легированную сталь по степени
легирования разделяют на:
низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %),
среднелегированную
(от 2,5 до 10 %),
высоколегированную
(от 10 до 50 %).
Маркировка:
Легированные стали маркируются
цифрами и буквами, указывающими примерный
состав стали. Буква показывает, какой
легирующий элемент входит в состав стали.
Х – хром |
Б - ниобий |
Н – никель |
Д – медь |
К – кобальт |
Г – марганец |
М – молибден |
Р – бор |
Т – титан |
Ю – алюминий |
В – вольфрам |
Ф – ванадий |
А – азот |
С - кремний |
Стоящая за буквой цифра обозначает
среднее содержание элемента в процентах.
Если элемента содержится менее 1 %, то цифры
за буквой не ставятся. Первые две цифры
указывают среднее содержание углерода
в сотых долях процента, если цифра одна,
то содержание углерода в десятых долях
процента.
Дополнительные обозначения
в начале марки:
Р — быстрорежущая;
Ш — шарикоподшипниковая;
А — автоматная;
Э — электротехническая;
Л — полученная литьём;
и др.
Исключения:
- содержание в шарикоподшипниковых
сталях хрома в десятых долях процента
(например, ШХ4 — Cr 0,4 %);
- в марке быстрорежущей
стали, цифра после «Р» — содержание вольфрама в %, и во всех быстрорежущих сталях содержание хрома 4 %.
Буква А в середине марки стали
показывает содержание азота, а в конце —
что сталь чистая по сере и фосфору (содержание
фосфора и серы в такой стали не превышает
0,03 %).
Две буквы А в конце — «АА» — означают,
что сталь особо чистая (ещё более чистая
по сере и фосфору).
Примеры:
- сталь 18ХГТ — 0,18 % С, 1 % Сr, 1 % Мn, около 0,1 % Тi;
- сталь 38ХНЗМФА — 0,38 % С, 1,2—1,5 % Сr; 3 % Ni, 0,3—0,4 % Мо, 0,1—0,2 % V;
- сталь 30ХГСА — 0,30 % С, 0,8—1,1 % Сr, 0,9—1,2 % Мn, 0,8—1,25 % Si;
- сталь 03Х13АГ19 — 0,03 % С, 13 % Сr, 0,2—0,3 % N, 19 % Мn
39.
Оценка коррозийной стойкости.
Коррозионная
стойкость — способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью
коррозии в данных условиях. Для оценки
скорости коррозии используются как качественные,
так и количественные характеристики.
Изменение внешнего вида поверхности
металла, изменение его микроструктуры
являются примерами качественной оценки
скорости коррозии. Для количественной
оценки можно использовать:
время, истекшее до появления
первого коррозионного очага;
число коррозионных очагов,
образовавшихся за определённый промежуток
времени;
уменьшение толщины материала
в единицу времени;
изменение массы металла на
единице поверхности в единицу времени;
объём газа, выделившегося (или
поглощённого) в ходе коррозии единицы
поверхности за единицу времени;
плотность тока, соответствующая
скорости данного коррозионного процесса;
изменение какого-либо свойства
за определённое время коррозии (например, электросопротивления, отражательной способности материала, механических свойств).