Обеспечение высокой и стабильной конструкционной прочности – одно из направлений решения проблемы.
Под конструкционной прочностью понимается прочность деталей в реальных условиях эксплуатации с учетом геометрических, металлургических и технологических факторов.
Структурный состав конструкционной прочности представлен на рис.1.
Все факторы, влияющие на прочность и объединенные понятием конструкционной прочности, могут (и должны) рассматриваться в связи с возможными видами нагружения и повреждения.
Виды нагружения: статическое, повторно-статическое (циклическое), длительное статическое, ударное, термическое (термомеханическое, термоциклическое), воздействие среды.
К видам повреждения можно отнести хрупкое разрушение, вязкое разрушение (со следами пластической деформации), повышенную деформацию (потерю устойчивости), усталостное и МЦУ разрушения, термические трещины, коробления, контактное выкрашивание, износ, коррозию и т.п.
Изучение и оценка видов повреждения важна для возможности установления по ним характера действовавшей нагрузки. Но это не всегда удается, так как один и тот же вид нагружения может вызывать различные повреждения. Например, повторно-статическое нагружение может вызывать статическую и усталостную трещину.
Одним из определяющих параметров конструкционной прочности является применяемый материал и его свойства. При выборе материала важно правильно оценивать условия работы детали и применять материал со свойствами, наиболее полно соответствующими этим условиям.
Часто при разработке материалов и рекомендаций по их использованию ориентируются на стандартные характеристики без учета всего комплекса свойств и особенностей работы его в конструкции, что приводит к неоправданным затратам средств и времени на доводку узлов и ухудшению основных параметров изделий и их надежности.
КРАТКОВРЕМЕННЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Для материалов, находящихся в пластическом состоянии, разрушением считают наступление заметных остаточных деформаций текучести, ползучести, а для материалов в хрупком состоянии – появление трещин, отделение, отрыв одной части от другой.
Различный характер разрушения связан с наличием двух характеристик материала, определяющих его прочность: сопротивление отрыву и сопротивление сдвигу.
Один и тот же материал в зависимости от температуры, напряженного состояния и скорости нагружения может иметь хрупкое и вязкое разрушение: с увеличением скорости нагружения, понижением температуры увеличивается вероятность хрупкого разрушения, разрушение от вязкого может переходить к хрупкому.
Переход от вязкого разрушения к хрупкому объясняется независимостью характеристики сопротивления отрыву от условий испытаний, что следует из схемы, предложенной А.Иоффе:
|
|
|
|
|
Рис.1
Здесь 
- сопротивление отрыву; 
- сопротивление сдвигу.
Как видно из графика, с понижением температуры характер разрушения может переходить к хрупкому. Это связано с пересечением характеристик и при понижении температуры. Температура, при которой эти характеристики пересекаются, называется критической ( 
).
Если в рабочем диапазоне температур не происходит пересечение характеристик и , то такой материал не дает хрупкого разрушения.
У алюминиевых, медных, аустенитных сплавов (с гранецентрированной кубической решеткой) отсутствует пересечение характеристик и с понижением температуры, что обуславливает вязкое разрушение во всех условиях испытания. Применять следует именно такие материалы и всячески избегать хрупкого разрушения.
Наиболее полно склонность материала к хрупкому разрушению характеризуется его ударной вязкостью ак.
На рис.2 приведена зависимость изменения ударной вязкости от температуры. При температуре испытания ниже критической происходит резкое падение ударной вязкости.
| |||||||
 | |||||||
| |||||||
| |||||||
Рис.2
Особенно показательными для оценки склонности материала к хрупкому разрушению являются ударные испытания образцов с начальной трещиной. Для этих целей используются образцы, в которых переменным нагружением создается усталостная трещина заданных размеров.
Склонность материала к хрупкому разрушению кт определяется отношением значения ударной вязкости образца с трещиной к величине ударной вязкости обычного образца.
В таблице 1 приведены коэффициенты чувствительности материалов к хрупкому разрушению.
Таблица 1
| Сплав | ВТ9 | ВТ8 | XH28BMAБ | АК4-Т6 |
| Кт | 0,74 | 0,29 | 0,63 | 0,64 |
Наиболее чувствительным к начальной трещине из испытанных материалов оказался сплав ВТ8.
В последнее время для оценки условий перехода к хрупкому разрушению и скорости распространения трещин используются методы механики разрушения, где используются энергетические критерии вязкости разрушения, которые учитывают интенсивность напряжений и локальные свойства материала у вершины трещины.
Для конструкционных сталей существенное влияние на склонность к хрупкому разрушению оказывает и жесткость напряженного состояния. Чем жестче напряженное состояние, тем более вероятным является хрупкое разрушение.
Этим же можно объяснить появление хрупкого разрушения при нагружении образцов с надрезом, так как при этом в образце появляется объемное напряженное состояние (трехстороннее растяжение), которое более склонно к хрупкому разрушению, чем простое растяжение.
Рассматривая состояние хрупкого разрушения, следует остановиться на склонности некоторых сталей, особенно высокопрочных, к замедленному разрушению под напряжением.
Примеры замедленного разрушения – разрушение затянутых болтовых соединений, резервуаров под внутренним давлением, сварных соединений.
Меры борьбы с замедленным разрушением: применение пластичных материалов, малочувствительных к начальной трещине, ограничение напряжений (тарированная затяжка), создание поверхностных сжимающих напряжений.
Применение материалов, малочувствительных к начальной трещине, важно с точки зрения общей надежности конструкции, так как случайные трещины всегда возможны.
Во многих деталях и узлах, особенно листовых, часто нормами износа допускаются появления трещин определенной длины в течение некоторого ресурса работы. Эти трещины могут возникать от обработки, от действия переменных, термоциклических нагрузок, забоины в процессе эксплуатации. Такие трещины обнаруживаются при регламентных и других профилактических осмотрах.
Для локализации трещин или уменьшения скорости их развития применяются приклепываемые накладки, засверливание трещин в их вершине, заварка трещин и т.п. Но это допускается не на всех деталях. На основных деталях наличие любой трещины является браковочным признаком.
Пластические свойства
Несущая способность деталей в значительной мере зависит от пластических свойств материалов и характера разрушения при неравномерном распределении напряжений по сечению.
Неравномерное распределение напряжений возникает, например, в условиях концентрации напряжений, при изгибе, при кручении.
В условии концентрации напряжений прочность образца с надрезом при хрупком разрушении зависит от теоретического коэффициента концентрации напряжений 
:
(1)
С учетом пластического перераспределения – от эффективного коэффициента концентрации напряжений 
:
(2),
при этом
(3)
Здесь q – коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений.
Для пластичных материалов q близок к нулю, для хрупких – к единице.
Так как пластичные материалы имеют низкую чувствительность к концентрации напряжений, несущая способность образцов с надрезом из пластичных материалов может оказаться существенно выше, чем у хрупких.
При изгибе распределение напряжений в упругой области определяется линейной зависимостью (рис.3):
 | |||||||||
|
| ||||||||
 |  | ||||||||
 |
Рис.3а
В условиях хрупкого разрушения предельный момент при изгибе прямоугольного сечения составляет:
(4),
где h - высота,B – ширина сечения.
При пластическом перераспределении напряжений предельный момент равен:
|
| ||||||||
 | |||||||||
 |  | ||||||||
Рис.3б
(5)
Если при этом пределы прочности на растяжение 
и сжатие 
отличаются между собой в К раз, то предельный момент будет равен:
(6),
где 
; 
.
В таблице 2 приведены данные по несущей способности образцов прямоугольного сечения при изгибе при различной пластичности материалов.
Таблица 2
| Материал | Сечение, мм | Относ. удлинение δ% | Mразр/My |
| АЛ4-Т6 | Квадрат 5  5 | 3,5 | 2,04 |
| ЖС6 | Квадрат 5 5 | 0,5 | 1,2 |
| ЖС6К | Квадрат 5 5 | 5,0 | 2,2 |
При кручении в области упругого распределения напряжений предельный момент определяется линейной зависимостью:
, (7)
где 
- касательные напряжения при разрыве; r – радиус сечения круглого образца.
Предельный момент при полном пластическом перераспределении напряжений равен:
(8).
Таким образом, и при кручении несущая способность пластичных материалов выше, чем у хрупких.
Контрольные вопросы к лекции № 6
1. Дайте определение конструкционной прочности.
2. Каков структурный состав конструкционной прочности?
3. Какие вопросы относятся к разделу “Расчеты на прочность” в структуре конструкционной прочности?
4. Какие технологические мероприятия должны быть применены для обеспечения конструкционной прочности?
5. Какие мероприятия необходимо проводить в эксплуатации для обеспечения конструкционной прочности?
6. какие конструктивные мероприятия необходимы для обеспечения конструкционной прочности?
7. Что считают разрушением для хрупких, для пластичных материалов?
8. Какие материалы следует выбирать, чтобы избегнуть хрупкого разрушения?