Надёжность эксплуатации материала и деталей
Надежность – это свойство материала безотказно работать в течение срока эксплуатации без недопустимых деформаций и разрушения. Разрушение – это необратимый процесс нарушения формы и целостности материала (деструкция), который может происходить под действием механической нагрузки, механической нагрузки и коррозионной среды, механической нагрузки и температуры. В общем случае, при статическом нагружении возможны два вида разрушения: вязкое и хрупкое. Хрупкое разрушение развивается в упругой области при напряжениях ниже условного предела текучести в отсутствие заметной пластической деформации. Хрупкая трещина распространяется со скоростью, близкой к скорости звука. Хрупкое разрушение, приводящее к внезапной поломке, является наиболее опасным при эксплуатации деталей и конструкций.
Склонность материала к хрупкому разрушению повышается при изменении внешних условий эксплуатации (повышении скорости приложения нагрузки, понижении температуры), при наличии острых концентраторов напряжений на деталях.
Для предотвращения хрупкого разрушения материал должен иметь высокие значения таких характеристик, как относительное удлинение δ, относительное сужение ψ, ударная вязкость KCU, КСV, KCT, критическая температура хрупкости, критический коэффициент интенсивности напряжений К1с.
Критическая температура хрупкости t50 определяется по результатам серии испытаний на ударную вязкость при различных температурах.Характеристика t50 – температура, при которой в изломе ударных образцов имеется примерно 50 % хрупкого излома и 50% вязкого. Критическая температура хрупкости характеризует влияние температуры испытания на склонность к хрупкому разрушению. Чем ниже температура t50, тем менее склонен материал к хрупкому разрушению и тем выше его запас вязкости.
|
|
|
В деталях конструкций всегда присутствуют микротрещины металлургического и технологического происхождения; они могут возникнуть и при эксплуатации. К трещиноподобным дефектам относят также неметаллические включения и скопления дислокаций. Трещины являются острыми концентраторами напряжений. Это означает, что локальные напряжения в вершине трещины могут во много раз превышать средние напряжения, приложенные к детали.
Критический коэффициент интенсивности напряжений К1с – характеризует сопротивление материала развитию вязкой трещины (в условиях эксплуатации). В деталях конструкций всегда присутствуют микротрещины металлургического и технологического происхождения; они могут возникнуть и при эксплуатации. К трещиноподобным дефектам относят также неметаллические включения, скопления дислокаций. Трещины являются острыми концентраторами напряжений. Это означает, что локальные напряжения в вершине трещины могут во много раз превышать средние приложенные к детали напряжения.
|
|
|
Этот коэффициент связывает среднее приложенное напряжение σср с критической длиной трещины - lкр (длина трещины, при превышении которой происходит разрушение):
К1с = σср √απ lкр
где α – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины. Единица измерения К1с – МПа∙м1/2
Чем больше значения К1с, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и выше надежность работы деталей из него изготовленных. К1с (или, иначе – статическая трещиностойкость) – один из наиболее информативных параметров надежности. Он широко используется при сравнении как различных обработок одного материала, так и различных сплавов (табл. 2.13).
Таблица 2.13
Коэффициент вязкости разрушения различных материалов
| Материал | К1с , МПа м1/2 |
| Конструкционные стали | 33 – 300 |
| Высокопрочные чугуны | 30 – 75 |
| Титановые сплавы | 28 – 115 |
| Алюминиевые сплавы | 17 – 48 |
| Технические керамики | 3 – 25 |
| Полимерные материалы | 0,5 – 2,8 |
|
|
|
Возможности «управления» статической трещиностойкостью наиболее широки у конструкционных сталей, о чем и свидетельствует наиболее высокие значения К1с.
Повышение характеристик надежности сталей достигается при учете всех факторов, которые помогают реализации высокой прочности материала в конструкции.
К таким факторам относятся конструктивный, масштабный, металлургический, технологический, металловедческий (связанный с химическим составом и структурой) и эксплуатационный.
а) конструктивный – при проектировании деталей предусматривают максимальное сглаживание всех переходов, уменьшение остроты концентраторов напряжений;
б) масштабный – при проектировании (при возможности) уменьшают габариты деталей, потому что для крупных деталей К1с и многие прочностные характеристики имеют пониженные значения. Кроме того, в крупных деталях возрастает вероятность наличия трещин большого размера;
в) химический – специальное легирование; например, стали легируют никелем (для повышения пластичности), кремнием (для повышения температуры отпуска и полного снятия остаточных напряжений);
г) металлургический – стали выплавляют особовысококачественными, т.е. содержащими минимум серы, фосфора, газов, а также неметаллических включений. Для устранения вредных примесей применяют переплавы – электрошлаковый (ЭШП), вакуумно-дуговой (ВДП) и электронно-лучевой (ЭЛП); алюминиевые сплавы выплавляют нескольких категорий качества – повышенной чистоты (пч) и особовысокочистые (оч) – по содержанию железа и кремния;
|
|
|
д) структурный – в сталях обеспечивают получение мелкого зерна (для эффективного торможения распространения трещин на границах зёрен); в алюминиевых сплавах применяют термообработку по режиму перестаривания (для некоторого увеличения размеров частиц упрочняющих фаз);
е) технологический – при механической обработке регламентируют последовательность переходов, количество проходов при токарной обработке, чистоту поверхности, направление рисок по отношению к приложенным напряжениям;
ж) эксплуатационный – для избежания насыщения водородом при контакте с водой применяют покрытия; для снижения растягивающих напряжений на поверхности применяют поверхностное пластическое деформирование (ППД) – создание напряжений сжатия путем вибронаклепа, дробе- и пескоструйной обработки, обкатки роликами, алмазного выглаживания.
Износостойкость
Износостойкие стали и сплавы необходимы для изготовления деталей машин и механизмов, работающих в условиях изнашивания: пары трения, червячные пары, подшипники скольжения, ковши экскаваторов, железнодорожные стрелки, гребные винты судовых моторов и т.п.
Изнашивание – процесс постепенной повреждаемости поверхности детали, которая работает в постоянном или периодическом контакте под нагрузкой с другой деталью (или в контакте с рабочей средой). Виды внешнего воздействия подразделяют на трение, абразивный износ, ударный износ, кавитационный износ, эрозию и др.
Износостойкость– свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в условиях трения. Изнашивание – процесс постепенной повреждаемости поверхности детали, которая работает в постоянном или периодическом контакте под нагрузкой с другой деталью (или в контакте с рабочей средой). Износвыражается в потере веса, в изменении формы, размеров и состояния поверхности детали.
Работоспособность деталей в условиях изнашивания зависит от ряда внешних и внутренних факторов.
Различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное (ГОСТ 27574-88). Механическое изнашивание имеет ряд разновидностей, которые, в свою очередь, могут быть разделены на две группы по признаку того объекта, под влиянием которого происходит процесс изнашивания, – на изнашивание в парах трения и на изнашивание в контакте с рабочей средой.
Износостойкость в парах трения. Условия работы деталей – это контакт под нагрузкой, в результате чего между деталями возникает трение.
В машиностроительных конструкциях и механизмах в условиях трения работают многочисленные детали, такие как втулки, кулачки, червяки, пальцы поршней, фрикционные диски и другие детали.
При трении происходит несколько структурных процессов: многократная деформация в поверхностных слоях, приводящая к упрочнению; выделение тепла и последующее разупрочнение; окисление.
Деформационное взаимодействие при трении является следствием многократного деформирования микрообъемов одной детали неровностями на поверхности другой детали. Деформационное взаимодействие в парах трения может быть трёх видов: упругое; пластическое; срез и скалывание. Два последних вида взаимодействия недопустимы при работе деталей.
Для исключения пластической деформации и обеспечения только упругого контактирования пар трения, необходимо обеспечить высокий модуль упругости, максимально упрочнить поверхность материала и повысить чистоту поверхности. Таким образом, деформационная составляющая трения обратно пропорциональна твердости и модулю упругости материала и пропорциональна шероховатости поверхности:
Fдеф = f (шероховатость поверхности / HRCпов, E).
Шероховатость поверхности обеспечивается технологией механиче- ской обработки.
Модуль упругости обеспечивается выбором материала (сталь, алюминий или другой металл). В сталях высокий модуль упругости определяется металлом - основой – железом (Е = 210 ГПа).
Повысить износостойкость сталей, предназначенных для деталей, работающих в парах трения возможно несколькими способами (за счёт нескольких факторов управления составом и структурой сталей):
– за счёт термической обработки: проведения закалки и низкого отпуска с получением мартенсита отпуска;
– за счёт химико - термической обработки: применения цементации для увеличения количества цементита в поверхностном слое;
– за счёт поверхностной закалки;
– за счёт изменения химического состава: применение сталей с повышенным содержанием углерода, а, следовательно, с большим содержанием цементита; применения высоколегированных сталей с более твердыми карбидами, чем цементит.
Цементуемые стали для пар трения подразделяются по степени упрочнения сердцевины. При одной и той же твёрдости цементованного слоя работоспособность деталей повышается по мере увеличения твёрдости сердцевины.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 189; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!