ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Конструкционные стали и сплавы повышенной надежности из "Новые материалы " Высокопрочные материалы. Из миллиарда тонн материалов, егодно производимых в мире, 99 % - материалы конструкционные, назначение - вьщерживать некоторые нагрузки Р. Условия их рабо-характеризует напряжение а = P/S , приложенное в опасном сечении ощадью Sq. Чтобы конструкция при разгрузке возвращалась к исход- м размерам, ее относительные деформации е должны оставаться в об- ти линейного закона упругости о = гЕ (Е - модуль Юнга). Поэтому )снове инженерных расчетов лежит предел текучести материала jq 2 пряжение, при котором остаточное (пластическое) удлинение соста-т 0,2 %. Всюду в конструкции должно быть о oq 2 (с некоторым инным запасом). [c.329] ПО его отношению к удельному весу материала у, Н/м . Удельная прочность в километрах имеет размерность о/у = (Н/м )/(Н/м ) = м. Для стали в массивной поковке а/у 30 км, тогда как нити имеют удельную прочность, км титан - 42 сталь — 54 бериллий — 95 бор - 14о-стекло - 140...200 углерод - 140...200. [c.330] Композиты из такого волокна на углеродной, эпоксидной, алюминиевой или магниевой связке вытеснили тонколистовую сталь — там, где нагрузки одноосные или двухосные, а их направление по всему объему постоянно. Композитными делают оболочки и баллоны высокого давления, корпуса ракет и даже крылья самолетов (как Су-37). [c.330] Но композит плохо несет нагрузки поперек нитей, а при большой толщине не пропекается , не пропитывается при склейке. На композит труднее передать нагрузку равномерно. В нем сложно выявлять слабые места прогалы в намотке нити, плохое сцепление ее со связкой. [c.330] Поэтому там, где нагрузки большие по абсолютной величине, ударные, рабочее сечение большое, распределение напряжений сложное, сталь остается вне конкуренции. При рекордном уровне прочность стали должна быть однородная в больших сечениях, одинаковая во всех направлениях. К тому же нужна свариваемость — возможность получать сварной шов без трещин, по прочности и вязкости не хуже основного металла. [c.330] Из поковок сталей предельно высокой прочности делают, например, стойки шасси и силовой набор самолета, роторы высокооборотных моторов, насосов и центрифуг, маховики-накопители кинетической энергии для тяжелых тягачей. Объем мирового производства таких сталей сравнительно небольшой — до 10 т/год. Но их совершенствование важно и принципиально структурные решения в этой области всегда опережали материалы других классов и впоследствии заимствовались в разработках не только сталей иного назначения, но также и сплавов титана и алюминия. (Так же и создание штучных моторов для Формулы-1 ценою в миллионы долларов окупается опробованием новых технических решений, переносимых затем фирмой на миллионы автомобилей). [c.330] Характеристики прочности и пластичности. В обширном комплексе обязательных требований к стали высокой прочности большинство а-рактеристик механических свойств стандартные. Но их информативность и приоритеты при выборе стали требуют детального анализа. [c.330] При растяжении измеряется по ГОСТ 1497 предел текучести ад2 предел прочности = Ртах/ О относительное удлинение 5 (%) и относительное сужение / (%) после разрушения. [c.330] При напряжении пластическая деформация становится неустой-[вой - она локализуется, появляется шейка разрушение же наступает )зднее, после значительного местного сужения в шейке /. [c.331] При нагрузке пластическая деформация локализуется, появляется шейка. Если сила Р - sS, то ее приращение dP = s dS + S- ds, и из условия максимума dP - О следует s = -S ds/dS или ds/d p = Приравняв s = SQ(j и его производную ds/d p - получим критическую деформацию потери устойчивости = п. При малом показателе упрочнения п материал ненадежен — его течение неустойчиво уже при небольших местных деформациях. [c.332] Отношение а /ад2 прямо связано с показателем упрочнения п. Предел текучести ад 2 определен при деформации = 0,002, т. е. jq 2 о = = 5о(Фт) - Предел прочности = s S/Sq), где = (Фкр) = Из определения с/ф = -dS/S следует соотношение начальной и текущей плош,ади сечения Sq/S= е Р, и тогда = SQ n/e) . Отсюда отношение oJoqj = (п/еф ) . Чем меньше отношение стандартных характеристик o gq2, тем меньше и показатель упрочнения п - хуже устойчивость материала к перегрузкам. [c.332] Эта теоретическая прочность непомерно велика практический предел для используемых материалов = /100. Причина в том, что модель предполагает одновременное разрушение всей решетки — рассыпание на атомы , тогда как из-за неизбежной неоднородности структуры разрушение начнется в одной, худшей точке и будет распространяться как единственная трещина. ( Материал с теоретической прочностью вряд ли кому и понадобился бы — он дышит если довести нагрузку в конструкции до а еор упругое удлинение будет 15 %). [c.332] Ударная вязкость. При знании сохраняется необходимость измерять и более простую характеристику вязкости — ударную вязкость, не только потому, что изготовление образцов и испытание много проще, быстрее и требует меньще металла. Это несколько иная характеристика работы разрушения. Если при измерении цель — воспроизвести стационарные условия распространения трещины (с постоянной удельной работой G), то ударная вязкоеть суммирует работу пластического изгиба надрезанного образца при ударе с работой зарождения и распространения трещины в нем. [c.334] Пропорция этих составляющих зависит от остроты надреза - его радиуса в корне 1 мм в образце Менаже (тип I по ГОСТ 9454) — ударная вязкость K U 0,25 мм - по Шарпи - K V (тип ГУ по ГОСТ 9454). (Размерность МДж/м - работа делится на начальную площадь живого сечения образца ==0,8 см ). Поскольку в образце для измерения трещина готовая, только K U или K V как-то косвенно отражают возможности появления трещины. Какая из величин - K U или K V - ближе к условиям зарождения трещины в конструкции — зависит от геометрии концентраторов напряжений в ней. [c.334] Излом ударного образца имеет плоское дно - хрупкий квадрат (хотя по микростроению это часто вязкий ямочный излом). Он окружен с трех сторон откосами среза — выбега трещины , когда ее пластическая зона достигнет поверхности образца. Поэтому легко измеряемая ширина откоса и есть радиус пластической зоны трещины. Это почти та же величина, которую мы ищем в конечном счете, измеряя Только здесь трещина двигалась в пластически деформированном материале, отчего может быть ниже, чем при измерении вязкости разрушения. [c.334] Трещина зарождается в месте поверхностной перегрузки — от мик-рошгастических сдвигов близ царапин, рисок, надрезов. От разности сдвигов, совпадающих при нагружении и разгрузке не полностью, на поверхности металла появляется щель (или выступ) размерами в доли микрометра. Для одной из многих щелей случайные сдвиги за множество циклов нагружения сложатся так, что размер ее станет макроскопическим — появится трещина. [c.336] Далее тот же процесс повторяется уже в зоне перегрузки на кромке трещины. Перегрузку описывает интенсивность напряжений aVT, а цикл нагружения — размах интенсивности напряжений После N циклов средний прирост трещины за один цикл (AL/AN) = = (0,01...100) мкм. Чем больше АК , тем больше прирост трещины за цикл (AL/AN) = С(АК ) (закон Париса), где измеренные т = 2...6. Поскольку ал/Z, при постоянном номинальном напряжении а усталостная трещина по мере роста самоускоряется. [c.336] Например, если т = 2, то уравнение роста (dL/dN) o L и тогда L-exp( a iV), — т. е. с числом циклов 7V длина трещины нарастает экспоненциально, (А в показателе экспоненты — приложенное напряжение в квадрате ). Когда трещина достигает критического для данного напряжения о размера = (K Jo) /M, образец разрушается мгновенно (разница в рельефе усталостной части излома — в виде серии бороздок как годичных колец на пне - и хрупкого долома видна и невооруженным глазом). Заметим, что число циклов до разрушения 1п(- Г( ) зависит не только от темпа роста трещины, но и от статической вязкости разрушения чем больше тем при большей площади трещины образец еще держит нагрузку. [c.336] Вернуться к основной статье