|
| |
|
Главная Промышленность  Время Рис. 7.13. Изменение износа но времени (схема) или интенсивности изнашивания. Скорость и интенсивность изнашивания представляют собой отношение износа соответственно к времени или пути трения. Чем меньше значение скорости изнашивания при заданном износе Ыг, тем выше ресурс работы t узла трения: t = Aft/Dft. Скорость изнашивания и износ зависят от времени. Существуют три периода износа (рис. 7.13): I-начальный период или период приработки, при котором изнашивание протекает с постоянно замедляющейся скоростью; II-период установившегося (нормального) износа, для которого характерна небольшая и постоянная скорость изнашивания; III-период катастрофического износа. Обеспечение износостойкости связано с предупреждением катастрофического износа, уменьшением скоростей начального и установившегося изнашивания. Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки. При выборе материала необходимо учитывать, что критерии его износостойкости зависят не только от свойств поверхностного слоя материала, но в сильной степени от условий его работы. Условия работы отличаются таким большим разнообразием, что не существует универсального износостойкого материала. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может катастрофически быстро разрушаться в других. Износостойкость материала при заданных условиях трения, как правило, определяется экспериментальным путем. Долговечность деталей, работающих при высоких температурах (детали энергетических установок, реактивных двигателей), определяется скоростью ползучести-скоростью развития пластической деформации при постоянном (ниже предела текучести) напряжении. Ограничение скорости ползучести достигается применением жаропрочных материалов (см. п. 14.3). Долговечность деталей, работающих в атмосфере нагретых сухих газов или жидких электролитов, зависит соответственно от скорости химической или электрохимической коррозии. Работоспособность в таких средах сохраняют жаростойкие и коррозионно-стойкие материалы (см, пп. 14.2 и 14.1). Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности: 1) критерии прочности а, ао,2, <-i, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей; 2) модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т. е. ее жесткость; 3) пластичность 6, \/, ударная вязкость КСТ, KCV, КСи, вязкость разрушения К,, температурный порог хладноломкости tjo, которые оценивают надежность материала в эксплуатации; 4) циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала. 7.3. 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 металлургические 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 повышению 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 теоретическую прочность. Модули нормальной упругости и сдвига являются константами материала и структурно нечувствительны. Теоретическая прочность (сопротивление разрыву межатомных связей) в реальных кристаллах из-за наличия структурных дефектов не достигается. Реальная прочность на два-три порядка ниже теоретической и определяется не столько межатомными силами связи, сколько структурой материала. В гл. 4 указывалось, что уровень прочности (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. Методы упрочнения рассмотрены в предыдущем разделе. Напомним, что к ним 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 и плотностью дислокаций р: a = ao + abGl/p, где Од-предел текучести до упрочнения; а-коэффициент, учитывающий вклад других механизмов торможения дислокаций; Ь-вектор Бюргерса; G-модуль сдвига. Целесообразно увеличивать плотность дислокаций до 10 см~. При большем значении в силу неравномерного распределения структурных дефектов отдельные объемы материала пересыщаются дислокациями. Это вызывает нарушение сплошности в виде субмикроскопических трещин и снижение прочности. 2. Создание дислокационных барьеров в виде границ зерен, субзерен, дисперсных частиц вторичных фаз. Подобные препятствия на пути движения дислокаций требуют дополнительного повышения напряжения для их продвижения и тем самым способствуют упрочнению. Роль эффективного барьера выполняют границы зерен и субзерен (блоков мозаики). Скользящая дислокация вынуждена останавливаться у этих границ, поскольку в соседних зернах (субзернах) плоскость скольжения имеет другую ориентацию. Повышение прочности при измельчении зерна (или субзерна) описывается уравнением Холла -Петча: где Oq-напряжение, необходимое для движения свободной дислокации; /с-коэффициент, характеризующий прочность блокирования дислокаций; rf-диаметр зерна (субзерна). Важная особенность этого фактора упрочнения состоит в том, что измельчение зерна (увеличение протяженности их границ) сопровождается повышением ударной вязкости. Объясняется это уменьшением размеров зародышевых трещин и затруднением их развития. Трещина вынуждена изменять направление движения при переходе от одного зерна к другому; в результате ее траектория и сопротивление движению увеличиваются. Сильное торможение передвижению дислокаций создают дисперсные частицы вторичной фазы. Такой фактор упрочнения характерен для гетерогенных сплавов, подвергнутых закалке и старению. В этом случае дислокации, перемещаясь в плоскости скольжения, должны либо перерезать частицы, либо их огибать. 3. Образование полей упругих напряжений, искажающих кристаллическую решетку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов-вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих элементов. Упрочнение при легировании растет пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе и относительной разницы атомных 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 (Ов, а„ НВ, CT i). 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 вязкому разрушению, т. е. надежность материа- ла. В углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском можно получить при содержании 0,4% С ав«2400 МПа, при 0,6%-С ав«2800 МПа. Однако при такой прочности стали хрупки (ХСТ«0), 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. 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 (ВТМО). Она 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 |
