» » Требования к параметрам материала по напряжениям
20.01.2015

Как конструкционная деталь по условиям расчета на прочность и одновременно по форме должна соответствовать назначению машины или установки, так и материал по своим свойствам должен отвечать многим требованиям, часто противоречивым. Металлический материал дает совершенно особые возможности "конструироваться" до определенной степени в очень широком диапазоне соответствующих требований с помощью целенаправленного воздействия на его строение. Чрезвычайную изменчивость металлических материалов можно четко показать на примере железа.
Чистое железо имеет предел упругости, т.е. начало пластической деформации, Rp = 10 Н/мм2. Благодаря легированию в пределах до 0,8 % углерода и соответствующей термообработке начало пластической деформации можно установить примерно при 2000 Н/мм2. Приблизительно 80 металлических элементов Периодической системы благодаря многообразию их возможных комбинаций между собой, а также с неметаллами, например с углеродом, дают потенциал для подборки и оптимизации материала, что используется до сих пор лишь частично. Из теоретического количества 10в23 возможных комбинаций металлических элементов между собой до сих пор исследована лишь небольшая часть (табл. 2.1).
Множество технически обоснованных мероприятий по приведению материала в соответствие с требованиями конструкции четко просматривается из знаний закономерностей атомного строения материала. Расположение элементарных ячеек, за некоторыми исключениями, следует четким правилам построения кристаллических тел и определяет целый ряд специфических свойств, запрограммированных структурой материала, как, например, способность к деформации и анизотропию (зависимость свойств металла от направления деформации).
Требования к параметрам материала по напряжениям

В основном поведение материала определяется дефектами структуры, т.е. отклонениями от правильного кристаллического строения, влияющими на изменения в строении и структуре материала под действием механических, термических, термомеханических, коррозионных и коррозионно-механических нагрузок. Благодаря знанию механизмов, определяющих свойства материалов, поведением их можно управлять.
Предпосылками к целенаправленному и научно-систематизированному приспособлению материалов к специфическому набору требований Являются основополагающие физико-химические знания, которые частично были получены лишь в недавнем прошлом, и набор научного оборудования, появившегося только в самое последнее время. Это, например, рентгеноскопическая электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, электронно-лучевые микрозонды, ионовые зоны ESCA (Electron Spectroskopy for Chemical Analysis) и видимая спектроскопия, мессбауэр-спектроскопия, рентгеновское исследование микроструктуры и напряженного состояния.
На основании данных, полученных этими методами, осуществляется промышленное установление свойств материала в основном путем легирования, термообработки, холодной и горячей штамповки, а также с помощью комбинированных способов обработки, например термомеханической обработки материала.
Надежная и безопасная машина или установка предусматривает полное соответствие между набором уровней требований и набором свойств (или степенью пригодности) (рис. 2.1). Если свойства и требования не перекрываются, это может привести к отказу или даже к катастрофам. Свойства, создающиеся для обеспечения формы конструкционной детали и для обеспечения параметров машины и установки, в которой материал является интегральной составной частью конструкции, могут лишь тогда соответствовать требованиям, когда они полно и тщательно проанализированы.
Требования к параметрам материала по напряжениям

При этом должно также учитываться влияние окружающих полей напряжений. Так, допустимая нагрузка профиля зуба шестерни может значительно изменяться, если применяется смазка с различными добавками. Предел усталости лопастей паровых турбин заметно уменьшается в зоне изменяющейся влажности пара. Такое свойство материала можно логично объяснить только на основании сведений о реакциях в структуре и строении материала. На примере различных деталей газовой турбины для реактивного двигателя можно показать, как требование высокой температурной прочности ведет к выбору материала, ориентирующегося на различные температурные нагрузки (рис. 2.2).
Требования к параметрам материала по напряжениям

Однако для полного согласования материала и конструкционной детали по их набору свойств следовало бы принять во внимание ряд других критериев (точек зрения) выбора, которым должны удовлетворять материал и конструкционная деталь. Сюда относятся наряду со многими другими критериями нагрузка текучести на лопастях из-за центробежных сил, переменные нагрузки, вызванные колебаниями, а также устойчивость против эрозии, особенно, для детали компрессора, высокотемпературная коррозионная стойкость для компонентов, подвергающихся действию горячего газа, термоударная стойкость, в частности для лопастей, следующих непосредственно за камерой сгорания, и, наконец, такой критерий, как, например, коэффициенты теплового расширения при взаимодействии различных компонентов из различных материалов. Необходимо принять во внимание также ударные нагрузки и нагрузки на истирание, вызванные вибрациями в основании лопастей.
Часто при необходимости учесть весь набор требований оказывается, что это сделать с помощью одного единственного материала невозможно. Тогда в подвергающихся большой нагрузке конструкционных деталях и компонентах в большинстве случаев применяются детали из соединений материалов или из специально обработанных материалов (см. рис. 1.3). В общем можно исходить из того, что к поверхностям деталей следует предъявлять иные требования, чем к поперечному сечению. В то время как поверхность должна устоять, например, против износа и коррозионных воздействий, к сердцевине чаще всего предъявляется требование статической и динамической прочности при достаточной вязкости.
Такие комбинированные требования выполняются, например, обработкой поверхности с помощью различных методов поверхностной закалки. Кроме того, для создания специальных свойств поверхности применяются методы нанесения поверхностного слоя. В газотурбинных лопастях они применяются, например, против высокотемпературной коррозии, а также для снижения теплопроводности в зоне поверхности. Для этого подходит прежде всего теплоизоляционное наслоение.
Часто для выполнения различных требований применяются составные детали. Примером является выпускной клапан двигателя легкового автомобиля, у которого стержень состоит из стали, подвергнутой улучшению, а тарелка из высокотемпературного сплава. Стержень и тарелка соединены сваркой трением (рис. 2.3).
Требования к параметрам материала по напряжениям

Насколько значительна может быть ошибка при выделении единственного свойства материалов в качестве критерия выбора их в производстве без учета полного набора требований, можно наглядно показать на примере выбора материала для строительства военных подводных лодок. Там применялись, по военным соображениям, немагнитные материалы. Однако вскоре выяснилось, что под действием морской воды эти материалы имели склонность к коррозии трещин вследствие внутренних напряжений. Это такой вид коррозии, который, внешне не проявляясь, приводит материал к хрупким разрывам. Изготовленные таким способом лодки становились непрочными без участия неприятеля.
Во избежание несоответствия между требованиями и свойствами, естественно, необходим тщательный подробный анализ нагрузок, так как только таким образом может достигаться необходимая надежность. Изменения набора уровней соответствия возможны лишь тогда, когда машины и установки подвергаются измененному режиму работы. Так, известны случаи отказа, когда, например, турбогенераторы, сконструированные на длительную эксплуатацию, использовались в работе с пиковой нагрузкой с частыми чередованиями пуска и отключения.
На серии последовательных падений самолетов можно наглядно продемонстрировать действие измененного набора требований при прежнем уровне свойств материала и конструкции. С появлением самолета "Де Хавилланд Комет" в линейной службе гражданского воздушного флота впервые появился реактивный двигатель. В качестве носителя для этого нового вида двигателя был применен корпус, который уже очень хорошо зарекомендовал себя при использовании пропеллерных двигателей.
Чтобы можно было экономично использовать реактивный двигатель, было, однако, необходимо в отличие от самолетов с пропеллерным двигателем реактивные самолеты "Комет" эксплуатировать на большей высоте полета. Благодаря измененной программе полета корпус реактивного самолета подвергался большему перепаду давлений, чем при пропеллерном двигателе. Соответственно корпус "дышал" сильнее. Это привело к более высоким динамическим нагрузкам на структурные компоненты. В критических местах, например на оконных вырезах, в этих условиях эксплуатации возникали усталостные трещины, которые при достижении критической длины приводили к разрыву фюзеляжа. Характер этого отказа можно было установить полностью лишь с помощью систематического анализа повреждений и опытов с имитацией участков фюзеляжа в водяном баке.
В описанном случае четко видно, как следует обеспечивать гарантию против отказа путем нахождения оптимального соответствия между конструктивным исполнением и выбором материала. В этом случае для устранения недостатков предпринимались конструктивные изменения при изготовлении фюзеляжа, а в дальнейшем были разработаны материалы, обеспечивающие более высокую надежность при распространении хрупких трещин.
Очень большая сложность возникает со стороны требований как к параметрам, так и к свойствам, когда возможны изменения или только параметров, или только свойств. Это можно показать на простом примере. Если на валу увеличивается передаточный крутящий момент, то обычным следствием было бы также увеличение размеров, т.е. диаметра вала, для того, чтобы сохранять прежнее направление при его вращении. Однако точно так же при тех же параметрах вала более высокий крутящий момент может приниматься в расчет тогда, когда выбирается материал с более высокой прочностью. Однако увеличение размеров или прочности по-разному влияет на другие параметры. Увеличение диаметра вала влечет за собой рост подвижной массы, и прежде всего при неравномерности и изменении нагрузки это способствует возникновению более высоких динамических нагрузок. Остальная конструкция машины должна быть согласована с изменившимися параметрами, что должно было бы иметь следствие для расчета других компонентов.
Выбор более прочного материала может показаться вначале более простым решением, однако здесь следует учесть, что более высокая прочность означает также более высокое сопротивление пластическим деформациям. Способность материала благодаря пластическим деформациям снижать пик напряжения, возникающий вследствие концентрации напряжений в надрезе, обусловленной изготовлением или неоднородностью материала, является все же существенным фактором надежности. Так, вязкий, деформирующийся материал под действием высокого пика напряжений в основании надреза благодаря текучести может уменьшить напряжение и образовать зону упрочнения вокруг надреза.
Высокоупрочненный материал обладает этой способностью уменьшения напряжения лишь в незначительной мере или вообще ее не имеет. Дефекты в объеме материала, как, например, надрезы, вызванные неточностью обработки, или небольшие трещины, образуют затем в основании надреза высокую концентрацию напряжений, которая может уменьшаться только путем распространения трещины в материале (рис. 2.4).
Требования к параметрам материала по напряжениям

Для обеспечения надежности конструкционных деталей и компонентов рассмотрение стойкости к трещинообразованию или, наоборот, опасности хрупкого излома приобретает все возрастающее значение. Именно у высокопрочных и сверхвысокопрочных материалов ограничивает применение материала не традиционная прочность, а вязкость разрушения, т.е. способность напряжения в вершине трещины вызвать деформации, благодаря чему уменьшается неконтролируемое распространение трещины. У очень прочных материалов концентрация напряжений вокруг неоднородностей и вершин трещин при отсутствии вязкости может достигать таких высоких значений, что деталь хрупко разрушается еще до превышения предела упругости.
У конструкционных деталей из очень высокопрочных материалов, так же как и у деталей больших размеров, наряду с обычным расчетом прочности большое значение стал иметь расчет запаса прочности. Этот расчет осуществляется на основе сведений о механике излома и определяемых ею показателей.
Возможности повышения мощности путем использования более легких материалов в вибрирующих подвижных деталях используются тогда, когда на основе серийного изделия, например двигателя автомобиля, нужно изготовить вариант с высокой мощностью. При этом можно без учета отчасти более значительных расходов достигнуть большего числа оборотов и более высокой мощности, применяя материалы, которые при такой же или даже меньшей массе могут выдержать более высокие напряжения. Примером для перехода от серийного исполнения к высокомощному является выбор материала для шатуна (рис. 2.5) с целью достигнуть экономии массы при той же грузоподъемности.
Требования к параметрам материала по напряжениям

Многообразие уровней параметров, учитываемое как с точки зрения требований, так и с точки зрения свойств, еще более подчеркивается, когда учитываются становящиеся все более актуальными критерии повторной применяемости материалов и совместимости с окружающей средой. Так, например, применение кадмия в качестве покрытия против коррозионного влияния по своему защитному действию является непревзойденным, и все же следует его максимально ограничить, так как этот металл чрезвычайно ядовит и недопустимо загрязняет окружающую среду. Так же обстоит дело с бериллием. Применение этого металла создает большие потенциальные возможности для легких конструкций, особенно тогда, когда удается овладеть его хрупкостью. Очень выгодна также высокая теплоемкость этого материала, например, при применении в тормозных дисках, так как в этом случае в условиях тормозных процессов температуры менее значительны, чем у обычных материалов. Ho бериллий также токсичен, что не в последнюю очередь очень вредно действует при процессах повторного цикла.
Рассмотрение соответствия между наборами требований и свойств не может быть завершено без изучения областей рассеяния, которые образуются с обеих сторон. Обычно материал тогда выдерживает нагрузки, когда его прочность выше напряжений, возникающих вследствие его нагружения, Однако следует принимать во внимание, что в технических материалах может иметь место рассеяние прочностных характеристик, обусловленное колебаниями параметров структуры и строения. Также при расчетном определении напряжений вследствие колебаний в технологии создается определенное рассеяние. При слишком тесном сближении напряжений и прочности возможно пересечение зон рассеяния, и в этой возникающей таким образом опасной зоне возможен отказ материала (рис. 2.6).
Требования к параметрам материала по напряжениям

Это наблюдение наглядно демонстрирует, с одной стороны, как важна для оптимального расчета конструкционных деталей и компонентов однородность структуры изготовленного материала, а с другой — как важно совершенство способов расчета и определение фактических напряжений. С помощью предложенных наблюдений, которые включают в конструкцию материал как интегральную составную часть, следует показать, что правильный расчет материала нужно проводить не только на основании суммы различных показателей. Более того, требуются весьма основательные данные о состоянии материала, обусловленном процессами в структуре, т.е. реакциями в объеме материала на воздействие внешних нагрузок. Итак, в качестве первостепенной цели предусматривается с помощью обработки материала, оказывающей влияние на его структуру, показать инженеру, как можно приспособить материал к существующим требованиям, где находятся границы и возможности разброса материала и как, с другой стороны, с помощью технологии изготовление конструкционных деталей и компонентов можно привести в соответствие с возможностями материала.