Конструкционная прочность

Лекция 3

Конструкционные материалы

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготавливают детали конструкций ( машин, сооружений), воспринимающих силовые нагрузки ( статические, знакопеременные, вибрационные и др.). В приборостроении эти материалы применяются в корпусных узлах, деталях исполнительных механизмов, подложках, и корпусах электронных приборов.

Определяющими параметрами констр. материалов являются механические свойства, что их отличает от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, абразивных и др.). К основным критериям качества констр. материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам : прочность, вязкость, надёжность, ресурс и др.

Исторически основой констр. материалов стали металлические сплавы на основе железа ( чугуны и стали), меди ( бронзы и латуни), свинца, олова.

Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к констр. материалам, в частности требования по жаростойкости, износостойкости, эл. проводимости и др.).

Констр. материалы подразделяются :

– по природе материалов – металлические, неметаллические и композиционные, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов;

– по технологическому исполнению – на деформированные ( прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.); литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые ( плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и др.);

– по условиям работы – на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно–, окалино–, износо–, топливо–, масло–стойкие и т.д.;

– по критериям прочности – на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности и высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Отдельные классы констр. материалов , в свою очередь подразделяют на многочисленные группы.

Например, металлические сплавы различают :

– по системам сплавов – алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, ниобиевые, берилиевые, вольфрамовые, на железной основе и др.;

– по типам упрочнения – закаливаемые, улучшаемые, стареющие, цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.;

– по структурному составу – стали аустенитные и ферритные, латуни и т.д.

Неметаллические конструкционные материалы подразделяют

– по изомерному составу,

- технологическому исполнению ( прессованные, тканные, формованные, намотанные и пр.);

– по типам наполнителей (армирующих элементов) ;

– по характеру их размещения и ориентации.

Существуют также технико–экономические параметры констр. материалов :

– технологические параметры – обрабатываемость металла давлением, резанием, литейные свойства, ( жидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин при литье), свариваемость, паяемость, скорость отверждения и текучесть полимерных материалов при нормальных и повышенных температурах и др.

– Немало важны показатели экономической эффективности ( стоимость, трудоёмкость, дефецитность,коэффициент использования металла и т. д.).

К металлическим констр. материалам относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций : инструментальные стали, для нагревательных элементов, для присадочной проволки ( при сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём констр. материалов используемых техникой. Они отличаются большим диапазоном прочности – от 200 до 3000 Мн/м2 (20–300 кгс/мм2), пластичность сталей достигает 80%. Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей вн. Сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200°.С в окислительных средах и др. Прочность чугунов колеблется в зависимости от легирования колеблется от 110 Мн/м2 до 1350 Мн/м2 ( легированный магниевый чугун).

Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000-1100 ч. Выплавляются в вакуумно-индукционных печах, а также в плазменных и электронно-лучевых печах. Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах и др.

Прочность алюминиевых сплавов составляет : демпфируемых до 750 Мн/м2, литейных до 550 Мн/м2, по удельной жёсткости они значительно превосходят стали. Служат для изготовления корпусов самолётов,

вертолётов, ракет, судов различного назначения и др.

Магниевые сплавы отличаются высоким удельным объёмом ( в 4 раза выше, чем у стали), имеют прочность до 400 Мн/м2 и выше; применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др.

Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы имеют прочность до 1600Мн/м2 и более. Применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтехимической промышленности, медицинских инструментов и др.

К констр. материалам относятся также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия, которые нашли применение в различных областях техники.

Неметаллические конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимерные материалы, керамику, огнеупоры, стекла, резины, древесину.

Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных, кремнийорганических термопластичных смол и фторопластов, армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами, применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др. Термопластичные полимерные материалы — полистирол, полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе химически активных: топливах, маслах и т.п.

Стекла (силикатные, кварцевые, органические), триплексы на их основе служат для остекления судов, самолетов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах.

Резины на основе различных каучуков, упрочненные кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим К. м., стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объемов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы К. м,, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

Композиционные материалы.. Т. к. в составе конструкционных материалов( к.м.) нашли свое применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путем сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств

к. м. связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств, например, предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т.п. Такие материалы составляют новый класс – композиционне материалы.

В них используются высокопрочные элементы (волокна, нити, проволока, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвёрдые и тугоплавкие соединения, составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из пластичного и прочного материала (металлических сплавов или неметаллических, преимущественно полимерных, материалов). Композиционные К. м. по удельной прочности и удельному модулю упругости могут на 50—100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкций на 20—50%.

Наряду с созданием композиционных материалов, имеющих ориентированную (ортотропную) структуру, перспективным путем повышения качества К. м. является регламентация структуры традиционных К. м. Так, путём направленной кристаллизации сталей и сплавов получают литые детали, например, лопатки газовых турбин, состоящие из кристаллов, ориентированных относительно основных напряжений таким образом, что границы зёрен (слабые места у жаропрочных сплавов) оказываются ненагруженными. Направленная кристаллизация позволяет увеличить в несколько раз пластичность и долговечность. Еще более прогрессивным методом создания ортотротопных К. м. является получение монокристальных деталей с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений. Весьма эффективно используются методы ориентации в неметаллических констр. материалах. Так ориентация линейных полимерных макромолекул полимерных материалов ( ориентация стёкол из полиметилметакрилата) значительно повышает их прочность, вязкость и долговечность.

При синтезировании композиционных материалов, создании сплавов и материалов с ориентированной структурой используются достижения материаловедения.

Конструкционная прочность.

Конструкционные материалы – стали, сплавы, чугуны, цветные металлы, их сплавы и т.д. – предназначены для изготовления деталей машин, приборов, инженерных сооружений и т.д. В ходе эксплуатации они подвергаются различным механическим нагрузкам, воздействию низких и высоких температур, агрессивных сред, работают при статистических, ударных и циклических нагрузках. Поэтому различные стандартные испытания, при которых определяют предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение, ударную вязкость, твёрдость и т.д., не позволяют судить о поведении данного материала в реальных условиях эксплуатации, не характеризуют их работоспособности, прочности в конкретных конструкциях, т.е. не определяют их конструкционной прочности.

Конструкционная прочность материалов представляет собой комплекс механических, жаропрочных, коррозионностойких и др. свойств, обеспечивающих надёжную и длительную их работоспособность в конкретных условиях эксплуатации. Следовательно, констр. прочность материалов – это комплексная характеристика, включающая сочетание таких критериев, как прочность, надёжность, долговечность. Эти критерии должны наиболее полно характеризовать работоспособность данной детали при её эксплуатации.

Для оценки конструкционной прочности металлов необходимо выбрать комплекс тех прочностных и других параметров, которые должны находиться в наибольшем соответствии с эксплуатационными свойствами деталей машин и конструкций. Особенность определения конструкционной прочности металлов заключается в том, что кри­терии ее оценки относятся к данному материалу, выбранному для изготовления изделий определенного назначения, которые будут работать в конкретных силовых, температурных и иных условиях.

Критерии прочности металла выбирают в зависимости от условий его работы. Если работа предстоит в условиях стати­ческой нагрузки, то критерием прочности являются предел те­кучести, временное сопротивление или твердость НВ; если деталь испытывает длительные циклические нагрузки, то критерием прочности является предел выносливости. По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения в условиях эксплуатации.

Критерий надежности характеризует способность металла противостоять хрупкому разрушению, вызывающего внезапный отказ детали в условиях эксплуатации (например, разрушение ферм мостов, трубопроводов и т. д.). В этом случае критерием надежности служат показатели относительного удлинения,относительного сужения, ударной вязкости KCU с учетом масштабного фактора, температурных условий, динамических нагрузок, концентраторов напряжений (надрезов) и т. д.

Наконец, критерий долговечности характеризует свойство металла сопротивляться постепенному накоплению поврежде­ний и разрушению детали ввиду развития процессов усталости в условиях знакопеременных нагрузок (и появляющихся зна­копеременных напряжений от мах до min в течение определенного периода времени), изнашивания и коррозии деталей, ползучести при службе в условиях высоких температур и на­пряжений и др. Во многих случаях долговечность деталей или конструкций определяется главным образом сопротивлением металла усталостным разрушениям при циклических нагрузках и изнашиванием при трении.

Высокая конструкционная прочность деталей достигается прежде всего металлургическими и технологическими методами, к которым относят легирование, термическую, химико-терми­ческую, термомеханическую и другие виды обработок металла.

На конструкционную прочность металлов оказывает влия­ние также плотность дислокации (дефектов кристаллического строения). Идеальные кристаллы без дефектов («усы») имеют прочность, близкую к теоретической, которая на два-три по­рядка больше технической прочности металлических материалов после их отжига. Дислокации служат местом концентра­ции напряжений и упрочняют металл. При значительном уве­личении плотности дислокации и уменьшении их подвижности (блокирования дислокации) техническая прочность, металла по сравнению с отожженным состоянием увеличивается.

Для повышения технической прочности металлов применяют увеличение плотности дислокации путем легирования (внедре­ния в решетку данного металла чужеродных атомов и созда­ния искажения кристаллической решетки металла-матрицы. препятствующего свободному перемещению дислокации), ме­ханического наклепа, измельчения зерен, термической и термо­механической обработки и т. д. Так, при наклепе путем холод­ной пластической деформации металла плотность дислокаций достигает 10¹¹.. 10¹² см^-2, что значительно повышает его проч­ность.