Методы повышения конструкционной прочности
Высокая прочность и долговечность конструкций при минимальной массе и наибольшей надежности достигаются технологическими, металлургическими и конструкторскими методами.
Наибольшую эффективность имеют технологические и металлурги ческие методы, цель которых — повышение механических свойств и качества материала.
Из механических свойств важнейшее — прочность материала, повышение которой при достаточном запасе пластичности и вязкости ведет к снижению материалоемкости конструкции и в известной степени к новы шению ее надежности и долговечности.
Прочность — свойство, зависящее от энергии межатомной связи, структуры и химического состава материала. Энергия межатомного взаимодействия непосредственно определяет характеристики упругих свойств (модули нормальной упругости и сдвига), а также так называемую тео ретическую прочность.
Модули нормальной упругости и сдвига являются константами мате риала и структурно нечувствительны.
Теоретическая прочность (сопротивление разрыву межатомных связей) в реальных кристаллах из-за наличия структурных дефектов не до стигается. Реальная прочность на два-три порядка ниже теоретической и определяется не столько межатомными силами связи, сколько структурой материала.
Сопротивление пластической деформации зависит главным образом от легкости перемещения дислокаций. В связи с этим современные методы повышения прочности материала основаны на создании такого структурного состояния, которое обеспечивало бы максимальную задержку (блокировку) дислокаций. К методам упрочнения относятся легирование, пластическая деформация, термическая, термомеханическая и химико-термическая обработка. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов.
|
|
|
1. Увеличение плотности дислокаций. Силовые поля вокруг дислокаций являются эффективными барьерами для других близко расположенных дислокаций. В связи с этим чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому деформированию.
Теория дислокаций дает следующую зависимость между пределом текучести <7Т и плотностью дислокаций р:
Оу - сто + abGy/p,
це сто — предел текучести до упрочнения; а — коэффициент, учиты-ающий вклад других механизмов торможения дислокаций; 6 — вектор юргерса; G — модуль сдвига.
Целесообразно увеличивать плотность дислокаций до 1012 см-2. При эльшем значении в силу неравномерного распределения структурных де-ектов отдельные объемы материала пересыщаются дислокациями. Это язывает нарушение сплошности в виде субмикроскопических трещин и шжение прочности.
|
|
|
2. Создание дислокационных барьеров в виде границ зерен, субзерен, 1сперсных частиц вторичных фаз. Подобные препятствия на пути дви-ения дислокаций требуют дополнительного повышения напряжения для с продвижения и тем самым способствуют упрочнению.
Роль эффективного барьера выполняют границы зерен и субзерен локов мозаики). Скользящая дислокация вынуждена останавливаться у их границ, поскольку в соседних зернах (субзернах) плоскость скольже-1Я имеет другую ориентацию. Повышение прочности при измельчении рна (или субзерна) описывается уравнением Холла-Петча:
<7Т = сто + k/Vd,
е сто — напряжение, необходимое для движения свободной дислокации; — коэффициент, характеризующий прочность блокирования дислока-й; d — диаметр зерна (субзерна).
Важная особенность этого фактора упрочнения состоит в том, что из-льчение зерна (увеличение протяженности их границ) сопровождается вышением ударной вязкости. Объясняется это уменьшением размеров эодышевых трещин и затруднением их развития. Трещина вынуждена менять направление движения при переходе от одного зерна к другому; >езультате ее траектория и сопротивление движению увеличиваются.
Сильное торможение передвижению дислокаций создают дисперсные стицы вторичной фазы. Такой фактор упрочнения характерен для ге-зогенных сплавов, подвергнутых закалке и старению. В этом случае слокации, перемещаясь в плоскости скольжения, должны либо перережь частицы, либо их огибать.
|
|
|
3. Образование полей упругих напряжений, искажающих кристал-ческую решетку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов-сансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих ментов.
Упрочнение при легировании растет пропорционально концентра-\ легирующего элемента в твердом растворе и относительной разницы )мных радиусов компонентов.
Атомы внедрения (С, О, Н, N) могут вносить большой вклад в упрочнение, если они скапливаются на дислокациях и блокируют их, образуя сегрегации или атмосферы Коттрелла.
Комбинацией различных структурных факторов упрочнения можно значительно повысить характеристики прочности (<7В, сгт, НВ, о_\ ). Однако достигаемая прочность остается все же значительно ниже теоретической. Вместе с тем повышение прочности, основанное на уменьшении подвижности дислокаций, сопровождается снижением пластичности, вязкости и тем самым надежности.
Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление хрупкому разрушению, т.е. надежность материала. В углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском можно получить при содержании 0,4 % С ав и 2400 МПа, при 0,6 % С (7В и 2800 МПа. Однако при такой прочности стали хрупки (КСТ и 0) и эксплуатационно ненадежны.
|
|
|
Заданные прочность, надежность, долговечность достигаются формированием определенного структурного состояния. Оно должно сочетать эффективное торможение дислокаций с их равномерным распределением в объеме материала либо, что особенно благоприятно, допускать определенную подвижность скапливающихся у барьеров дислокаций. Эти требования исходят из того, что хрупкое разрушение инициируют скопления дислокаций критической плотности, например, у непроницаемых барьеров, где возникают опасные локальные напряжения. Их релаксация идет двумя путями: 1) образованием зародыша хрупкой трещины; 2) прорывом и эстафетной передачей дислокаций в смежные области. Второй путь — путь пластической релаксации локальных напряжений — возможен при наличии полупроницаемых барьеров. Их роль, в частности, выполняют малоугловые границы — границы субзерен.
Формированию благоприятной структуры и обеспечению надежности способствуют рациональное легирование, измельчение зерна, повышение металлургического качества металла.
Рациональное легирование предусматривает введение в сталь и сплавы нескольких элементов при невысокой концентрации каждого с тем, чтобы повысить пластичность и вязкость. Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой, особенно при использовании высокоскоростных способов нагрева — индукционного и лазерного.
Наиболее эффективное измельчение субструктуры (блоков мозаики) достигается при высокотемпературной термомеханической обработке (ИГМО). Она предусматривает интенсивную пластическую деформацию
аустенита с последующей закалкой, при которой наклепанный аустенит превращается в мартенсит, и низкий отпуск. Такая комбинированная обработка формирует структуру с высокой плотностью дислокаций и достаточно равномерным их распределением вследствие сильного дробления кристаллов мартенсита на отдельные субзерна (блоки). В образующейся субструктуре дислокации связаны в стабильные конфигурации, а субграницы выполняют роль полупроницаемых барьеров. В результате ВТМО обеспечивает наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению.
Более надежной работе высоконапряженных деталей способствует повышение чистоты металла, его металлургического качества. Повышение чистоты стали связано с удалением вредных примесей — серы, фосфора, газообразных элементов — кислорода, водорода, азота и зависящих от их содержания неметаллических включений — оксидов, сульфидов и др.
Неметаллические включения, серу и газообразные примеси удаляют из металла в процессе переплава. В промышленности применяют несколько способов переплава: вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумно-индукционную плавку (ВИП), рафинирование синтетическим шлаком. При вакуумной плавке и вакуумных переплавах металл наиболее полно очищается от растворенных газов. Сера практически не удаляется. При рафинировании синтетическим шлаком и ЭШП, наоборот, наиболее полно удаляется сера.
При равной прочности более чистый металл обладает более высоким сопротивлением вязкому разрушению и более низким порогом хладноломкости.
Для повышения циклической прочности и износостойкости важно затруднить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, химико-термической обработкой (азотированием, цементацией), поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами).
Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопроч-ности высоконапряженных деталей. При их проектировании избегают резких перепадов жесткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Если этого сделать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.
Рассмотренные выше технологические и металлургические методы повышения конструкционной прочности сталей и сплавов включают:
1) методы упрочнения, вызывающие увеличение плотности дислокаций и уменьшение их подвижности;
2) методы обеспечения необходимого запаса пластичности и вязко сти, предусматривающие более равномерное распределение дислокаций, а также очистку от охрупчивающих материал примесей.
Арсенал структурных факторов, используемых во второй группе методов, определяет следующий допустимый уровень статической прочности в конструкциях разного назначения: для сталей ств = 1600.. .2200 МНа; для титановых сплавов ств = 1000 ... 1250 МПа; для алюминиевых сплавов ав = 550 ... 600 МПа. Для ряда отраслей техники этого оказывается недостаточно.
Принципиально иной способ достижения высокой конструкционной прочности использован в композиционных материалах — новом классе высокопрочных материалов. Такие материалы представляют собой композицию из мягкой матрицы и высокопрочных волокон. Волокна армируют матрицу и воспринимают всю нагрузку. В этом состоит принципиальное отличие композиционных материалов от обычных сплавов, упрочненных, например, дисперсными частицами. В сплавах основную нагрузку воспринимает матрица (твердый раствор), а дисперсные частицы тормозят в ней движение дислокаций, сильно снижая тем самым ее пластичность. В композиционных материалах нагрузку воспринимают высокопрочные волокна, связанные между собой пластичной матрицей. Матрица нагружена слабо и служит для передачи и распределения нагрузки между волокнами. Композиционные материалы отличаются высоким сопротивлением распространению трещин, так как при ее образовании, например, из-за разрушения волокна, трещина «вязнет» в мягкой матрице. Кроме того, композиционные материалы, использующие высокопрочные и высокомодульные волокна и легкую матрицу, могут обладать высокими удельной прочностью и жесткостью.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 2320; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!