Методы повышения конструкционной прочности деталей машин
Характеристики механических свойств конструкционных материалов для изготовления деталей машин (характеристики упругости, прочности, пластичности и др.) определяют путем испытаний стандартных образцов в стандартных условиях. В реальных конструкциях эти свойства не всегда проявляются в полной мере. Особенно заметно это несоответствие между характеристиками прочности, полученными при испытании лабораторных образцов, и конструкционной прочностью как максимальным сопротивлением материала, реализуемым в деталях машин.
Особый характер проявления механических свойств материала, воплощенного в деталь или конструкцию, связан с влиянием трех групп факторов: эксплуатационных, технологических и конструкционных.
Эксплуатационные факторы определяются назначением детали и условиями его эксплуатации (температурой, видом и характером нагружения, окружающей средой и т.п.); они определяют выбор материала для проектируемого изделия и конструкции.
Большой эффективности в повышении конструкционной прочности и снижении материалоемкости изделий можно достичь за счет технологических факторов, связанных с предысторией металлургической, механической и термической переработки материала.
Известно, что прочность – это свойство материала, зависящее от его природы (химического состава) и структурного состояния. Прочность реальных конструкционных материалов из-за наличия дефектов структуры на два-три порядка ниже теоретической, характеризуемой сопротивлением разрыву межатомных связей. Поэтому практически все технологические методы повышения конструкционной прочности материалов основаны на создании такого структурного состояния, при котором обеспечивалось бы сведение к минимуму влияние имеющихся дефектов, в том числе, на субмикроуровне (дислокаций). Это осуществляется путем легирования, предварительной пластической деформации, термической, термомеханической, химико-термической обработок. Необходимые характеристики физико-механических свойств достигаются и повышением чистоты выплавляемого металла. Для этого в промышленности все более широко внедряется вакуумно-дуговой, электронно-лучевой и другие виды переплавов.
За счет применения выше перечисленных технологических методов удается достичь высоких уровней прочности материалов: для сталей - 
=1600...2000 МПа, для титановых сплавов - =1000...1250 МПа, для алюминиевых сплавов - =550...600 МПа и т.п.
Для повышения циклической прочности и износостойкости применяют технологические методы поверхностного упрочнения, поверхностную закалку, химико-термическую обработку (азотирование, цементацию), поверхностное пластическое деформирование (обдувку дробью, обкатку роликами и др.).
Следует иметь в виду, что повышение характеристик прочности материала путем использования различных технологических приемов, как правило, сопровождается снижением характеристик пластичности и вязкости разрушения. Показателен в этом отношении характер зависимости конструкционной прочности от взаимного сопротивления материала sв. Наличие на этой зависимости максимума свидетельствует о том, что повышение sв за счет термообработки или иными способами имеет смысл только до определенных пределов, так как снижение при этом пластичности препятствует перераспределению напряжений в зонах концентрации, а снижение вязкости повышает вероятность хрупкого разрушения. Отметим, если деталь изготовлена из пластичных материалов, то к эффективным способам оптимизации распределения напряжений можно отнести тренировку изготовленного изделия с перегрузками (автофретирование). Этот способ упрочнения деталей применим только в том случае, если в процессе эксплуатации нагрузка не изменяет знак.
В настоящее время для достижения высокой конструкционной прочности широко используются композиционные материалы, состоящие из мягкой матрицы и высокопрочных волокон, оптимально ориентированных по отношению к действующему в детали полю напряжений. Композиционные материалы позволяют рационально согласовать «поля напряжений» с «полями сопротивлений» материала. Они отличаются высокой трещиностойкостью, так как при образовании трещин, например, из-за разрушения волокна, ее распределение тормозится мягкой матрицей. Недостатком композиционных материалов на неметаллической основе является их интенсивное старение, сопровождающееся охрупчиванием.
Принцип равнопрочности всех высоконапряженных деталей, составляющих изделие, осуществить практически невозможно. Тем не менее, использование более достоверных расчетных схем в сочетании с приемами оптимального конструирования является важным резервом повышения несущей способности изделия, более полного использования свойств материала в детали. Высокие показатели использования резерва прочности материала не всегда адекватны экономическим показателям в части стоимости изделия.
К основным правилам конструирования относятся следующие:
Необходимо избегать резких концентраторов напряжений – больших перепадов жесткостей, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и т.п. Концентрация напряжений может быть вызвана дефектами материала (микротрещины, раковины, включения), а также действием сопряженной детали, например, при использовании посадок с гарантированным натягом. Циклическая прочность может резко снижаться при наличии царапин на поверхности, повреждений поверхностного слоя при грубой механической обработке, кислотном травлении. Поэтому при проектировании изделий следует предусматривать специальные меры по обеспечению и сохранению в процессе работы хорошего состояния поверхности деталей. Для этого используют различного рода покрытия, предупреждающие коррозию металла, водородное и другие виды охрупчивания. Однако некоторые виды покрытий, например, гальванические, могут способствовать снижению циклической прочности.
В местах резких изменений размеров ступенчатых деталей лучше использовать конические переходы, эллиптические или поднутренные галтели, а также декомпенсаторы в виде канавок на поверхности большого размера. Кромки отверстий подвергают обжатию или обчеканке. Благоприятное расположение пятна контакта в зонах приложения сосредоточенных нагрузок достигается приданием поверхности бочкообразной формы (бомбинированием), применением смазок, изготовлением контактируемых поверхностей с кривизной одинакового знака, заменой точечного контракта линейным, введением самоустанавливающихся башмаков.
Уровень остаточных напряжений в деталях машин, в том числе монтажных напряжений, должен быть сведен до минимума. Необходимую несущую способность соединений с гарантированным натягом лучше обеспечивать не за счет натяга, а за счет длины контактируемых поверхностей. При этом соединяемые детали должны обладать приблизительно одинаковой жесткостью в радиальном направлении. Для уменьшения деформаций при сварке и снижения сварочных напряжений применяют конструкции с симметричным расположением швов, избегают их пересечения, делают сварные швы прерывистыми, не располагают их вблизи элементов жесткости.
Коэффициент использования металла по критериям прочности и жесткости можно значительно повысить применением рациональных сечений с усилениями наиболее нагруженных зон (двутавровой балки), полых деталей в виде труб, коробок, тонкостенных элементов других форм, подкрепленных поперечными и диагональными связями (раскосами), ребрами или гофрами, а также ячеистых и сотовых деталей. Эффективными могут оказаться конструкции, в которых несущие элементы, работающие при высоких градиентах напряжений (на изгиб, кручение), заменены элементами, работающими на растяжение и сжатие. Иногда остаточные напряжения сжатия различными способами формируются в локальных зонах для «смягчения» концентрации напряжений.
Конструкции деталей машин, работающих при высоких или низких температурах, особенно в неизотермических условиях, должна исключать возможность возникновения высоких температурных градиентов, приводящих к термическим напряжениям. С этой целью в каждом узле следует использовать материалы с близкими коэффициентами линейного расширения и одинаковой теплопроводностью.
Понижение температуры эксплуатации изделия сопровождается ростом вероятности хрупкого разрушения несущих элементов, особенно в зонах сварных швов. В этих случаях очень важно избегать высоких концентраций напряжений любой природы, использовать геометрические формы деталей, исключающие работу материала при двух- и трехосном растяжении, обеспечивать низкие запасы упругой энергии в силовых элементах. В отдельных случаях необходимо предусматривать специальные «ловушки», останавливающие развивающуюся трещину.
Статистика и анализ отказов машин свидетельствует о том, что резервы повышения конструкционной прочности материалов еще далеко не исчерпаны. Здесь, кроме развития методов расчета и оптимального конструирования, важную (если не ведущую) роль играют технологическое обеспечение заданных показателей качества и строгое соблюдение регламентируемых условий эксплуатации изделий.
Выбор материалов для элементов конструкции
При проектировании СЛА очень важной задачей является правильный выбор материалов для элементов его конструкции. Кроме традиционных авиационных материалов, таких как алюминиевые и титановые сплавы, конструкционные и легированные стали, широкое применение находит древесина. Особого внимания заслуживают вопросы применения композиционных материалов, в частности текстолита, стеклотекстолита, древесных пластиков и пенопластов.
Важными характеристиками любого материала являются его прочность и твердость, именно эти характеристики являются определяющими в общем машиностроении. При выборе материала для элементов летательного аппарата следует стремиться к получению наименьшей массы при заданной прочности и достаточной жесткости конструкции. Наиболее информативной характеристикой свойств материала, подбираемого для элементов конструкции, работающих на растяжение и сжатие, может служить отношение его предела прочности Од к плотности, называемое удельной прочностью материала. Чем больше удельная прочность материала, тем меньшую массу может иметь элемент конструкции, работающий на растяжение или сжатие.
При выборе материала для элемента с заранее заданной формой (а иногда и некоторыми размерами) поперечного сечения (рис. 3. 1),
Рис 3.1 Сечения силовых элементов
работающего на изгиб, продольный изгиб или кручение, необходимо использовать выражения, определяющие удельную прочность при этих видах нагрузок, приведенные в табл. 3. 1.
Таблица 3.1 Выражение для удельной прочности материалов при различных видах нагружения
Большой интерес представляет сравнительный анализ удельной прочности различных конструкционных материалов. В табл. 3. 2 приведены результаты вычислений удельной прочности древесных пород (сосны, ясеня), высокопрочных алюминиевых сплавов (Д-16, В-95) и нормализованной легированной стали ЗОХГСА.
Таблица 3.2 Характеристики конструкционных материалов
Из таблицы видно, что при работе элемента на растяжение древесина по удельной прочности не уступает высокопрочным алюминиевым сплавам и даже легированной стали. А удельная прочность древесины при изгибе, при отсутствии ограничений по размерам сечения элементов, намного превышает удельную прочность алюминиевых сплавов и, тем более, стали. Иначе обстоит дело при работе материала на сжатие. При этом виде нагружения удельная прочность древесины более чем в два раза ниже удельной прочности алюминиевых сплавов и легированной стали.
Исходя из удельной прочности материалов, сталь, даже легированная, при обычных температурах, не имеет преимуществ перед деформируемыми высокопрочными алюминиевыми сплавами. С учетом сложностей механической и термической обработки сталь при создании СЛА применяется ограниченно, в основном для стыковочных узлов силовых элементов.
Наибольшую удельную прочность из рассматриваемых материалов имеет высокопрочный алюминиевый сплав В95-2. Однако при его применении следует иметь в виду, что он "боится" концентраторов напряжения, которыми могут быть отверстия, надрезы, резкие переходы профиля и даже глубокие царапины. С целью обеспечения заданной прочности элементов конструкции, выполненных из этого сплава, необходимо увеличивать коэффициент безопасности. В результате масса элемента из сплава В95-2 примерно равна массе того же элемента, выполненного из хорошо зарекомендовавшего себя сплава Д-16Т.
Высокие прочностные характеристики имеют алюминиевые сплавы (табл. 3. 3) АК4, АК6, АК8. Мягкие алюминиевые сплавы АМц, АМг2, АМг3 и т. п. целесообразно использовать только в несиловых элементах, требующих сварки, например топливных баках,
Таблица 3.3 Механические и технологические свойства алюминиевых сплавов
Литейные алюминиевые сплавы по механическим свойствам существенно уступают деформируемым и используются для изготовления узлов силовой установки и различного, рода кронштейнов, не несущих больших нагрузок.
Древесина как конструкционный материал в современном самолетостроении вытеснена металлами и композиционными материалами. Объясняется это такими ее недостатками, как пожароопасность, недолговечность и нетехнологичность при массовом производстве. При создании единичных образцов СЛС применение древесины выгодно, так как она достаточно легко обрабатывается, а изготовление деревянных конструкций не требует дорогостоящей оснастки,
По удельной прочности все породы дерева, приведенные в табл. 3. 4, за исключением липы, почти равнозначны.
Таблица 3.4 Механические свойства древесины
Однако наибольшее применение для изготовления силовых элементов конструкции находят сосна, ель, ясень. У дуба худшее, чем у ясеня, скалывание вдоль волокон, что существенно затяжеляет заделку элемента. Бук склонен к сильному короблению при высыхании и при любом изменении влажности, поэтому используется в основном в виде шпона при изготовлении элементов конструкции методом склеивания. Липу как достаточно легкий материал выгодно использовать для элементов, не подверженных большим и особенно сосредоточенным нагрузкам.
Больший выигрыш в массе конструкции может дать широкое применение композиционных материалов: текстолита, стеклотекстолита и особенно угле - и боропластиков. Слоистые пластики могут использоваться для обшивки крыла и фюзеляжа, стенок лонжеронов, изготовления нервюр, шпангоутов и различных перегородок. Исходя из условия обеспечения необходимой жесткости, выигрыш от применения пластиков в конструкции СЛА намного больше, чем на обычных самолетах.
Механические свойства наиболее доступных композиционных материалов приведены в табл. 3. 5.
Таблица 3.5 Механические свойства наиболее доступных композиционных материалов
Массу частей СЛА можно существенно снизить за счет использования трехслойных конструкций, заполнителем которых являются пенопласты-газонаполненные пластические массы ячеистой структуры. Плотность большинства пенопластов (табл. 3. 6) почти на порядок ниже плотности древесины. Такие марки пенопластов, как ПС-1 и ПС-4, на основе полистирола, хорошо режутся и обрабатываются горячей нихромовой проволокой. Почти все приведенные в табл. 3. 6 пенопласты хорошо обрабатываются режущими инструментами, а ПХВ-1 и ПХВ-3 - полируются с помощью шлифовальной бумаги.
Таблица 3.6 Механические свойства пенопластов
Многие элементы конструкции могут быть изготовлены из стеклоткани или шпона, пропитанных эпоксидным компаундом. Такие конструкции, как правило, получаются прочными, жесткими и достаточно легкими.
Лекция № 11. Основные понятия теории надежности конструкций ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ Согласно ГОСТ 27.002—89 «Надежность в технике. Термины и определения» надежность конструкции есть свойство сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах. Одним из основных понятий Теории надежности конструкций является понятие предельного состояния. Условие прочности по существу есть условие обеспечения прочностной надежности. Основной особенностью реальных условий эксплуатации машин и конструкций является случайный характер взаимодействия с окружающей средой. Это проявляется в том, что мы не можем достоверно предвидеть все типы внешних нагрузок и их величины, которые могут встретиться в процессе эксплуатации. Кроме того, источником неопределенности могут быть случайные свойства материалов. Например, предельное напряжение  , входящее в условие прочности, по своей природе является случайным. Его величина зависит от многих факторов: марки материала, технологии изготовления, размеров детали или конструкции, условий эксплуатации и др. Случайный характер механических свойств материалов наглядно проявляется при испытаниях, обнаруживающих значительный разброс экспериментальных данных. Источник неопределенности связан также с разбросом размеров при изготовлении конструкций: в принципе невозможно выдержать абсолютно точно геометрические параметры конструкции, при их изготовлении допускаются некоторые отклонения. В случае одномерного напряженного состояния
напряжение P(A)=NА/N. Вероятность как мера возможности наступления события удовлетворяет условиям Вероятность события, заключающегося в выполнении условия (4.1) Р(
где Р* —заданное достаточно высокое значение вероятности, которое называется нормативной вероятностью безотказной работы. В этом случае говорят, что условие прочности обеспечено с вероятностью Р*. Наши рекомендации |
, зависящее от внешних нагрузок, при определенных условиях может принять довольно большое значение, а предельное значение 
, причем значение Р=0 соответствует невозможному событию, а значение Р=1 — достоверному событию.