Home › News

Конструкционная прочность материалов и критерии

09.09.2017

Виды древесных плит – характеристики, особенности, область применения. Фанера, ДСП, ЦСП, OСП, ДВП.

Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности:

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. Критериями прочности при статистических нагрузках являются временное сопротивление или предел текучести , характеризующие сопротивление материала пластической деформации, на сайте конструкционная прочность материалов и критерии её оценки. Поскольку при работе большинства деталей пластическая деформация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести. Для приближенной оценки статической прочности используют твердость (для стали справедливо эмпирическое соотношение

Большинство деталей машин испытывает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности - предел выносливости (при симметричном круговом изгибе о ).

По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем больше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали.

Однако повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций

где Е модуль нормальной упругости.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерии жесткости, а не прочности обусловливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов приборов, наоборот, важно обеспечить большие упругие перемещения. Поскольку то от материала требуются высокий предел упругости и низкий модуль упругости.

Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет эффективность материала по массе. Она оценивается удельными характеристиками: удельной прочностью — плотность,

ускорение свободного падения], удельной жесткостью

Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации.

Кроме стандартных механических характеристик значения которых определены ГОСТом и оценивают металлургическое и технологическое качество материала, для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.

Например, для расчета на прочность вала, работающего во влажной атмосфере при необходимы для такой температуры, а также определенный во влажной среде и при нагреве.

Надежность - свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью и ударной вязкостью Однако эти параметры надежности, определенные на небольших лабораторных образцах без учета условий эксплуатации конкретной детали, достаточно показательны лишь для мягких малопрочных материалов. Между тем стремление к уменьшению металлоемкости конструкций ведет к более широкому применению высокопрочных и, как правило, менее пластичных материалов с повышенной склонностью к хрупкому разрушению. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. К таким факторам относятся концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор).

Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость - группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механике разрушения. В соответствии с ней очагами разрушения высокопрочных материалов служат небольшие трещины эксплуатационного или технологического происхождения (могут возникать при сварке, термической обработке), а также трещиноподобные дефекты (неметаллические включения, скопления дислокаций и т. Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчетные напряжения (рис. 7.1).

Для трещины длиной и радиусом напряжение в вершине

Рис. 7.1. Концентрация напряжений вблизи эллиптической трещины

Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее ее вершина.

Для пластичных материалов опасность таких дефектов невелика. В результате перемещения дислокаций у вершины трещины протекает местная пластическая деформация, которая вызывает релаксацию (снижение) локальных напряжений и их выравнивание. К тому же увеличение плотности дислокаций и вакансий в вершине трещины сопровождается ее затуплением, и дефект перестает играть роль острого концентратора напряжений.

Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам. В силу того, что дислокации заблокированы и пластическая деформация невозможна, при увеличении средних напряжений локальные напряжения повышаются настолько, что вызывают разрыв межатомных связей и развитие трещины. Рост трещины не тормозится, как в пластичных материалах, а, наоборот, ускоряется. После достижения некоторой критической величины наступает самопроизвольный лавинообразный рост трещины, вызывающей хрупкое разрушение.

Так как высокопрочные материалы обладают определенной пластичностью, то для них реальную опасность представляют трещины не любых размеров, а только критической длины Подрастание трещины до тормозится в них местной пластической деформацией. Но при определенном сочетании рабочего напряжения и длины дефекта равновесное положение трещины нарушается, и происходит самопроизвольное разрушение.

Оценку надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (меньше критического) проводят по критериям Ирвина. Им предложено два критерия трещиностойкости, из которых наибольшее применение имеет критерий К. Критерий К называют коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины. Он определяет растягивающие напряжения в любой точке (рис. 7.2) впереди вершины трешины:

Знаменатель дроби обращается в единицу при поэтому К численно равен на расстоянии мм от вершины трещины.

Критерий К для наиболее жесткого нагружения (плоская деформация растяжением) обозначают а при достижении критического значения, когда стабильная трещина переходит в нестабильную, -

Рис. 7.2. Зависимость напряжения от расстояния от вершины трещины

Критерий показывает, какого значения (интенсивности) достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения. Он связывает приложенное среднее напряжение с критической длиной трещины:

где а - безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

Из соотношения (7.3) следует, что имеет размерность

Значение определяют экспериментально на образцах с надрезом и с заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной (рис. 7.3). Для расчета при нагружении образца фиксируют усилие в момент подрастания трещины на некоторую величину и перехода ее к нестабильному распространению.

Величина зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (ее затуплении) и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины. По этой причине критерий называют вязкостью разрушения. Чем

Рис. 7.3. Образец для определения

Рис. 7.4. Зависимость критического напряжения с от размера дефекта I для двух материалов (I и II) с разным значением К и

он больше, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и его надежность. Кроме качественной характеристики надежности, дополняет параметры и Е при расчетах на прочность деталей из высокопрочных материалов (сталей с титановых сплавов с и алюминиевых сплавов с ). Он позволяет определить безопасный размер трещины при известном рабочем напряжении или, наоборот, безопасное напряжение при известном размере дефекта. Например, при рабочем напряжении (рис. 7.4) трещина длиной будет безопасной для материала И (кривая II) и вызовет разрушение в материале I (кривая I), имеющего меньшее значение

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

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

Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет 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 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 разрушению. 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.

Рис. 7.5. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе и ударную вязкость материала

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

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

На рис. 7.6 показан случай, когда ударная вязкость двух сталей при температуре эксплуатации, равной одинакова. Однако переход в хрупкое состояние стали М (мелкозернистая) заканчивается при а стали К (крупнозернистая) при По сравнению с температурой эксплуатации запас вязкости у стали М составит а у стали Сталь М более надежна в работе, так как возможное понижение температуры эксплуатации относительно расчетной при наличии трещин 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 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 повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжения - совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями и в течение периода Т.

При экспериментальном определении сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения (рис. 7.7). Он характеризуется коэффициентом асимметрии цикла амплитудой напряжения средним напряжением цикла

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

Рис. 7.7. Синусоидальный цикл изменения напряжений

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

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 последовательность 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 аш (или са)-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 N6) числа

Рис. 7.9. Кривые усталости: 1 — для стали; 2 — для цветных металлов

циклов. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости — коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле Наклонный участок кривой усталости характеризует ограниченный предел выносливости, равный напряжению которое может выдержать материал в течение определенного числа циклов

Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка (кривая 2 на рис. 7.9) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы имеют только ограниченный предел выносливости.

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

1) циклическую прочность - физический или ограниченный предел выносливости. Она характеризует несущую способность материала, т. е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы;

2) циклическую долговечность - число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживают материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Долговечность также может быть неограниченной (при и ограниченной (при

Кривые выносливости в области ограниченной долговечности определяют на основе статистической обработки результатов испытаний. Это связано с значительным разбросом долговечности из-за ее высокой чувствительности к состоянию поверхности образцов.

Кроме определения рассмотренных выше критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость. Их проводят при высоких напряжениях (выше и малой частоте нагружения (обычно не более 5 Гц). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные по величине циклические нагрузки. База таких испытаний не превышает циклов, поэтому малоцикловую усталость материала характеризует левая верхняя ветвь кривой усталости (см. рис. 7.9).

Рис. 7.10. Обобщенная диаграмма усталостного разрушения (схема): I — стадия постепенного накопления повреждений до возникновения трещины усталости; II — стадия распространения трещины; III — стадия долома

Рис. 7.11. Схема расположения линий скольжения в экструзиях (7) и интрузиях (2)

Кривые усталости характеризуют стадию разрушения и не отражают процессы, предшествующие разрушению. Более показательна обобщенная диаграмма усталости (рис. 7.10). Она содержит дополнительные линии (штриховые), выделяющие в процессах усталости три стадии.

Обобщенная диаграмма позволяет установить дополнительные критерии выносливости. Из них наиболее важное значение имеет живучесть, определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Живучесть характеризует способность материала работать в поврежденном состоянии после образования трещины (в области II на рис. 7.10).

Живучесть (СРТУ) - критерий надежности материала. С его помощью прогнозируют работоспособность детали, рассчитанную на циклическую прочность по ограниченному пределу выносливости. При высокой живучести (малой СРТУ) можно своевременно путем дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу.

Механизм усталостного разрушения связан с развитием и накоплением в поверхностном слое микропластической деформации и основан на движении дислокаций. Возможность их перемещения при напряжениях ниже предела текучести обусловлена анизотропией кристаллов и их случайной ориентацией. В отдельных кристаллах при небольших средних напряжениях могут возникать напряжения, достаточные для перемещения слабозакрепленных дислокаций. Кроме того, для тонких поверхностных слоев (в 1-2 зерна) характерно низкое напряжение работы источников дислокаций Франка-Рида. По этим причинам в мягких (отожженных) металлах уже на ранней стадии нагружения (1-5% от общего числа циклов до разрушения) наблюдаются ранняя микропластическая деформация и повреждение тонких поверхностных слоев. Микропластическая деформация проявляется в образовании на поверхности линий сдвига (скольжения), плотность которых растет с увеличением числа циклов. По мере выхода дислокаций на поверхность усиливается ее повреждение в виде возникающих ступенек. Линии скольжения расширяются в полосы скольжения и постепенно перерождаются в экструзии и интрузии (рис. 7.11). Экструзия — выдавливание, интрузия - углубление полос скольжения. Экструзии и интрузии формируют пикообразный рельеф поверхности, состоящий из выступов и острых впадин (рис. 7.12). Впадины - места концентрации деформации и, как следствие, вакансий, дислокаций. Из-за их высокой плотности здесь возникают микропоры, рыхлоты, которые, сливаясь, образуют субмикротрещины. Развитие и объединение субмикротрещин ведет, в свою очередь, к образованию микротрещин.

При напряжениях, меньших предела выносливости, микротрещины остаются

Рис. 7.12. Профиль поверхности алюминия после циклического нагружения

в наружном слое толщиной не более размера зерна, поскольку границы зерен - барьеры для их распространения. При напряжениях выше предела выносливости микротрещины преодолевают границы зерен, сливаются, образуя магистральную трещину усталости. Трещина усталости растет прерывисто-скачками, связанными с местной пластической деформацией (наклепом) металла у ее вершины. Для распространения трещины на некоторую длину необходимо, чтобы у ее вершины была исчерпана пластичность. По этой причине у пластичных металлов сопротивление распространению трещины усталости много выше, чем ее зарождению. Увеличению сопротивления зарождению трещины усталости способствует структурное состояние, препятствующее движению дислокаций и их выходу на поверхность. Такое структурное состояние наиболее эффективно создается поверхностным упрочнением.

Циклическая долговечность и прочность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряженное состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной среды. Наличие на поверхности остаточных напряжений сжатия затрудняет образование и развитие трещин усталости и, как следствие, способствует увеличению предела выносливости. Резко отрицательное влияние оказывают напряжения растяжения и многочисленные концентраторы напряжений: конструктивные - изменение формы сечения детали: галтели, отверстия, канавки, проточки и т. п.;

технологические — микронеровности поверхности, риски и другие следы механической обработки;

металлургические — внутренние дефекты в виде пор, раковин, неметаллических включений (оксидов, сульфидов, силикатов и др.).

Влияние концентраторов напряжений оценивают эффективным коэффициентом концентрации напряжений под которым понимают отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости такого же образца с концентратором напряжений

Предел выносливости снижается также с увеличением размеров деталей (масштабный фактор) и более интенсивно под влиянием коррозионной среды, вызывающей повреждение поверхности в виде углублений, сетки трещин и других концентраторов напряжений.

Совместное влияние различных факторов на предел выносливости в расчетах оценивается коэффициентом - показывающим, во сколько раз предел выносливости гладкого образца диаметром 10 мм больше предела выносливости детали:

где — масштабный фактор, характеризующий уменьшение несущей способности детали при увеличении ее поперечного размера; Р — коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности (в коррозионных средах заменяется на ркорр); — коэффициент, характеризующий эффективность поверхностного упрочнения.

Из соотношения (7.4) следует, что влияние факторов на несущую способность детали тем слабее, чем ближе к единице значение коэффициентов и больше коэффициент поверхностного упрочнения .

Износостой кость - свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание — процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его определяют по изменению размеров (линейный износ), уменьшению объема или массы (объемный или массовый износ).

Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости

Рис. 7.13. Изменение износа во 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 тем выше ресурс работы узла трения:

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 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 ударная вязкость вязкость разрушения температурный порог хладноломкости которые оценивают надежность материала в эксплуатации;

4) циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >> Оглавление

Введение