» » Конструкционная прочность сплавов
14.01.2016

Повышение прочности сплава — увеличение предела прочности σ3, предела текучести σ0,2 — сопровождается, как правило, в условиях традиционной технологии снижением характеристик пластичности — относительного удлинения δ, относительного сужения ψ, вязкости КСU, КСТ, трещиностойкости К1С, сопротивления усталости σ1. Увеличение массы изделия, повышение сложности его формы, наличие дефектов структуры также приводят к снижению конструкционной прочности: возрастает вероятность хрупкого разрушения изделия, падает надежность, уменьшается долговечность.
Конструкционная прочность высоколегированных сплавов, таким образом, весьма чувствительна к наличию дефектов и определяется, наряду с пределом прочности σ3, и пределом текучести σ0,2, комплексом характеристик: запасом пластичности, т.е, уровнем δ, ψ, температурным порогом хладноломкости Тхп, прочностью при циклическом нагружении (аR — предел выносливости), чувствительностью к надрезу, ударной вязкостью при изгибе КCU, КСТ, вязкостью разрушения К1C при статических и других испытаниях образцов с наведенной усталостной трещиной. Влияние дефектов структуры возрастает при повышении степени легирования, предела прочности, снижении пластичности. По результатам испытаний на прочность при циклическом нагружении жаропрочных никелевых сплавов установлено резкое снижение критического размера дефекта структуры с увеличением прочности (при σ0,2 = 1100 МПа он составляет 180 мкм).
Трещиностойкость. Способность материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях называют трещиностойкостью. Трещины в материалах могут быть металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. В случае возможности хрупкого разрушения для безопасной работы элементов конструкции машин необходимо количественно оценивать размеры допустимых дефектов. Для этого используют количественную характеристику трещиностойкости материала: критический коэффициент интенсивности напряжений (в условиях плоской деформации в вершине трещины). Под плоской деформацией понимают деформацию, которая развивается в одной плоскости (х, у), а не по толщине образца (z). Величину К1С определяют путем испытания на вязкость разрушения специальных образцов с предварительно выращенной усталостной трещиной. Образец подвергается внецентренному растяжению с регистрацией значения нагрузки Р и раскрытия берегов надреза образца. При обработке дна граммы из начала координат проводят секущую, тангенс угла наклона которой на 5% меньше тангенса угла наклона начального прямолинейного участка диаграммы. Определяют соответствующую нагрузку РQ, затем по излому разрушенного образца оценивают длину трещины l. По полученным значениям PQ и l рассчитывают коэффициент интенсивности напряжений KQ:
Конструкционная прочность сплавов

где t, W — толщина и ширина образца соответственно; f(l/W) — функция значений l, W.
Значение KQ принимается за критический коэффициент интенсивности напряжений K1C, если выполняются условия:
Конструкционная прочность сплавов

где tc — толщина разрушенного образца в зоне максимального сужения.
Если указанные условия не выполняются, то необходимо провести дополнительные испытания образца с большей толщиной.
Значения критического коэффициента интенсивности напряжений КtC и предела текучести определенные при комнатной температуре (T = 293 К) для некоторых конструкционных материалов, приведены в таблице,
Ударная вязкость. Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению при динамическом нагружении применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость, Ударная вязкость КС (МДж/м2) определяется работой, затраченной на разрушение образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.
Конструкционная прочность сплавов

Для образца с U-образиым надрезом добавляется буква U(КСU), с V-образным надрезом добавляется буква V(КСV), с предварительно наведенной усталостной трещиной (КСТ).
Ударная вязкость состоит из двух составляющих: удельной работы зарождения трещины КСз и удельной работы ее распространения КСр:
КС = КСз + КСр.

Для хрупких материалов основная часть работы идет на зарождение трещины, а работа распространения трещины незначительна. Для пластичных материалов работа распространения трещины имеет преобладающее значение (рис. 1.11). Анализ составляющих ударной вязкости позволяет более рационально выбрать материал и определить его назначение.
Конструкционная прочность сплавов

Усталость при циклическом погружении. Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Металл, подверженный такому нагружению, может разрушаться при более низких напряжениях, чем те, которым он подвергается при статических испытаниях.
Постепенное накопление повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящее к образованию трещин и разрушению, называют усталостью. Способность материалов противостоять усталости называют выносливостью.
Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости — это максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости) (рис. 1.12).
Конструкционная прочность сплавов

Переход кривой усталости в горизонталь наблюдается обычно в сталях после 10в7 циклов нагружения. Для цветных сплавов это значение составляет обычно 10в8 циклов нагружения. Но могут быть случаи, когда и после указанного числа циклов кривая усталости не переходит в горизонталь, а продолжает снижаться. Тогда за базу испытаний принимают N = 10в7 для сталей и N = 10в8 для цветных сплавов и при указанных числах циклов определяют ограниченный предел выносливости.
Изложенная выше методика испытания материалов откосится к испытаниям на многоцикловую усталость, когда используются большая база испытаний (до 10в7—10в8 циклов) и высокая частота нагружения (до 300 Гц). В технике имеют место также испытания и на малоцикловую усталость, отражающие условия эксплуатации конструкций, подвергающихся воздействию значительных циклических нагрузок сравнительно низкой частоты. В этих условиях разрушение происходит обычно при существенно меньшем числе циклов воздействия нагрузки. Поэтому испытания на малоцикловую усталость проводятся при сравнительно малой частоте нагружения (3—5 Гц) на базе, не превышающей 5*10в4 циклов.
Разрушение материалов при усталости отличается от разрушения при действии однократных нагрузок. Оно характеризуется отсутствием в изломе внешних признаков пластической деформации, т.е. в целом усталостный излом имеет характер хрупкого излома. Однако в микрообъемах нагруженного образца происходит пластическая деформация, приводящая к зарождению трещин, постепенное развитие которых сопровождается разрушением материала.
При усталостном нагружении пластическая деформация, обусловленная движением дислокаций, может начинаться при напряжениях меньше предела текучести. Усталостные трещины зарождаются, как правило, в поверхностных слоях.
Зарождение микротрещин при циклическом нагружении происходит на начальной стадии испытания. В образце может возникнуть множество микротрещин. Однако развиваются только те, которые являются наиболее интенсивными концентраторами напряжений и расположены благоприятно по отношению к действующим напряжениям. Для усталостного излома образца характерно наличие зоны прогрессивно растущей трещины и зоны окончательного излома.
На процесс разрушения при циклических нагрузках существенное влияние оказывают концентраторы напряжений, которые могут быть конструктивными (резкие переходы от сечения к сечению), технологическими (царапины, трещины, риски от резца), металлургическими (поры, раковины, неметаллические включения).
Независимо от своего происхождения концентраторы напряжений в той или иной степени снижают предел выносливости при одном и том же уровне переменных напряжений. Для оценки влияния концентратора напряжений на усталость проводят испытания гладких и надрезанных образцов при симметричном цикле нагружения. Надрез на образце выполняется в виде острой круговой выточки. Отношение предела выносливости, определенного на гладких образцах, к пределу выносливости, определенному на надрезанных образцах, называют эффективным коэффициентом концентрации напряжений.