Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 [ 41 ] 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65


Рис. 7.4. Зависимость критического напряжения а от размера дефекта / для двух материалов (/ и Я) с разным значением

ОН больше, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и его надежность. Кроме качественной характеристики надежности, К дополняет параметры и Е при расчетах на прочность деталей из высокопрочных материалов (сталей с 1200 МПа, титановых сплавов с 800 МПа

и алюминиевых сплавов с >450 МПа). Он позволяет определить безопасный размер трещины при известном рабочем напряжении или, наоборот, безопасное напряжение при известном размере дефекта. Например, при рабочем напряжении Ор (рис. 7.4) трещина длиной / будет безопасной для материала II (кривая ) и вызовет разрущение в материале I (кривая /), имеющего меньшее значение /С, {к\ < /сД

Для оценки надежности материала используют также параметры: 1) ударную вязкость KCV и КСТ; 2) температурный порог хладноломкости tf. Однако эти параметры только качественные, непригодные для расчета на прочность.

Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.

Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у осно-

вания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрущение. Если материал имеет КСТ = 0, то это означает, что процесс его разрушения идет без затраты работы. Такой материал хрупок, эксплуатационно ненадежен. И, наоборот, чем больше параметр КСТ, определенный при рабочей температуре, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации. КСТ, так же как и Ki учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин и т. п.).

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрущению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре. Сочетание при таких испытаниях ударного нагружения, надреза и низких температур-основных факторов, способствующих охрупчиванию, важно для оценки поведения материала при экстремальных условиях эксплуатации.


Порог хл аднопомкости

кси tc

Работа зарождении трещины

Рабата развито)/ трещины

Рис. 7.5. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (Б) и ударную вязкость материала KCU, КСТ



На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис. 7.5), наблюдаемое в интервале температур {t-t. (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения). Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t > до кристаллического блестяшего при хрупком разрушении (t < t. Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (<B-t„) либо одной температурой t, при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляюшей, и величина КСТ снижается наполовину.

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и fjo. При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем болыпе температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

На рис. 7.6 показан случай, когда ударная вязкость двух сталей при температуре эксплуатации, равной 20 °С, одинакова. Однако переход в хрупкое состояние стгши М (мелкозернистая) заканчивается при -40 °С, а стали К (крупнозернистая) при 0°С. По сравнению с температурой эксплуатации запас вязкости у стали М составит 60 °С, а

кси, МДж/М

, 1.

-во -W о 20t,°C

Рис. 7.6. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания стали (0,22% С): М - мелкозернистая: К - крупнозернистая; / - температурный запас вязкости

5 Под ред. Б. Н. Арзамасова

у стали К - 20 °С. Сталь М более надежна в работе, так как возможное понижение температуры эксплуатации относительно расчетной при наличии трешин и ударной нагрузки не вызовет в ней хрупкого разрушения.

Долговечность - свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа)!, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причины потери работоспособности (постепенного отказа) разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии, радиационного разбухания и пр. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью). Поэтому эти причины потери работоспособности материала требуют подробного рассмотрения.

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяюших-ся циклов напряжений. Цикл напряжения-совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями аа, и ст„йп в течение периода Г.

При экспериментальном определении сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения (рис. 7.7). Он характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = Crain/max, амплитудой напряжения о„ = (a„ - <7min)/2; средним напряжением цикла ст„ = (ст„ах + сГт!п)/2-

Постепенный отказ -потеря материалом работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий.




Рис. 7.8. Излом усталостного разрушения: 1 - очаг зарождения трещины ; 2 - зона усталости; 3 - зона долома (схема)

Рис. 7.7. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Различают симметричные циклы {R = -1) и асимметричные {R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости - выносливостью (ГОСТ 23207-78).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей.

1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке; меньших предела текучести или временного сопротивления.

2. Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды.

3. Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение.

4. Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последо-


вательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон-усталости и долома (рис. 7.8). Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502-79). Их проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение-сжатие, изгиб, кручение). Образцы (не менее 15 шт.) испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости, которая в логарифмических координатах: максимальное напряжение цикла о„их (или Од)-число циклов нагружений N состоит из участков прямых линий (рис. 7.9). Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченно большого или заданного (базового JVg) числа



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 [ 41 ] 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65