Вибір матеріалів для конструйованого виробу

При проектуванні і розрахунках на міцність, жорсткість і стійкість елементів механізмів, машин і споруд необхідно знати властивості матеріалів.

Механічні характеристики матеріалів залежать від багатьох факторів. На властивості металів і сплавів істотний вплив мають хімічний склад, технологія їхнього отримання, термічна й механічна обробки, умови експлуатації - температура, середовище, характер навантаження й ін.

В останні роки одержали розвиток нові види бурової техніки. Застосовувані в них матеріали піддаються дії високих температур, високих швидкостей навантаження, агресивних рідких і газоподібних середовищ, радіоактивних, особливо нейтронних, проникаючих опромінень. Для роботи в цих умовах створюються нові спеціальні сплави й композиційні матеріали.

Вплив швидкості деформації. При збільшенні швидкості наростання навантаження й, отже, швидкості зростання напруги і деформації, всі матеріали, що перебувають у пластичному стані, виявляють загальну тенденцію до збільшення опору деформуванню. Чим вище швидкість деформування, тим вище границя текучості і тимчасовий опір. Особливо сильно залежать від швидкості навантаження механічні властивості пластмас і інших органічних матеріалів. У металів вплив швидкості навантаження помітно проявляється лише при значній різниці у швидкостях.

Порівняння результатів статичних і динамічних випробувань маловуглецевих сталей на розтягання при нормальній температурі (рис.3.6,а) показує наступне:

1) крива 1 динамічного розтягнення лежить вище кривої 2 статичного розтягнення;

2) максимум діаграми для динамічного навантаження зміщається вбік початку діаграми;

3) тимчасовий опір при динамічному навантаженні підвищується, але є меншим, ніж границя текучості;

4) модуль пружності при динамічному навантаженні практично не змінюється.

а	б

Рисунок 3.6 - Вплив швидкості деформації й температури

Вплив технологічних факторів. Конструкційні сталі, з яких виготовляють елементи конструкцій, можна одержати відливкою або прокатуванням, куванням, штампуванням і волочінням. Механічні властивості сталі того самого складу досить сильно змінюються залежно від способу її одержання і обробки.

При виливанні заготовок можливе утворення різних внутрішніх дефектів у вигляді порожнин, раковин і включень, що знижують міцність виготовлених із цих заготовок деталей. У зв'язку із цим потрібен ретельний контроль якості таких деталей рентгенівським, ультразвуковим або яким-небудь іншим способом.

Прокатування робить сталь анізотропною. Прокатна сталь має характерну структуру, у якої зерна витягнуті в напрямку прокатування, утворюють свого роду волокна. Механічні властивості сталі в напрямку прокатування істотно відрізняються від властивостей у напрямку, перпендикулярному до неї. Зразки, вирізані таким чином, що їхня вісь збігається з напрямком прокатки, виявляються більш міцними, ніж ті, вісь яких перпендикулярна до напрямку прокатування.

Попереднє витягування в холодному стані за границю текучості (наклеп) дуже сильно підвищує границю текучості й міцності, але знижує залишкове подовження після розриву. Матеріал стає більш пружнім і міцним, але менш пластичним.

Волочіння в холодному стані, що представляє собою витягування з обтисканням, ще сильніше впливає на механічні властивості сталі. Сталевий дріт і сталеві стрічки, отримані волочінням, досить міцні.

Токарна обробка, обробка поверхні роликами, обдування дробом, хромування, нікелювання, азотування й інші види поверхневої обробки можуть вплинути на міцність особливо тих деталей, що працюють при змінних напруженях.

Вплив термічної обробки. Загартування сталі значно підвищує її твердість, границю текучості і границю міцності, але сильно знижує пластичність. Модуль пружності сталі загартування практично не міняє. Якщо потрібна висока поверхнева твердість зі збереженням інших властивостей сталі, використовують поверхневе загартування струмами високої частоти. Для маловуглецевих сталей із цією метою застосовують цементацію — збільшення в поверхневому шарі вуглецю — з наступним загартуванням. При цьому гартується тільки вуглецевий поверхневий шар, а основна частина матеріалу зберігає властивості маловуглецевої сталі.

Для усунення наклепу використовують відпал. Щоб вирівняти й поліпшити структуру, а також поліпшити механічні властивості сталі, застосовують нормалізацію. Докладно ці види термічної обробки розглядаються в металознавстві.

Вплив температури. Багато деталей бурових машин працюють при високих температурах, що досягають 800—1000° С. Випробування показали, що всі механічні характеристики металів істотно змінюються залежно від температури.

На рис.3.7,б наведені діаграми напруження вуглецевої сталі при різних температурах, а на рис.3.7,а — графіки залежності границі текучості, тимчасового опору й відносного подовження при розриві від температури. В інтервалі температур 150—250°С тимчасовий опір досягає найбільшого значення, а відносне видовження після розриву — найменшого; сталь, як кажуть, стає синеломкою. При більш високих температурах міцність вуглецевої сталі швидко падає, тому вище 350—400°С таку сталь не застосовують.

а	б

Рисунок 3.7 - Графіки залежності границі текучості, границі міцності, відносного подовження при розриві і модуля пружності від температури

При підвищенні температури також істотно зменшується модуль пружності Е (рис.3.7,б), коефіцієнт Пуассона ж трохизростає. Так, при зростанні температури від кімнатної до 500°С коефіцієнт Пуассона збільшується з 0,28 до 0,33.

Вуглецеві сталі при високих температурах сильно окисляються, на їхній поверхні утвориться окалина. У зв'язку із цим застосовують спеціальні жаростійкі й жароміцні сталі, що містять різні легуючі добавки. Жаростійкістю називається властивість матеріалу протистояти при високих температурах хімічному руйнуванню поверхні, а жароміцністю — здатність зберігати при високих температурах механічні властивості. Тепер створені спеціальні сплави, а також металокерамічні матеріали, що надійно працюють при температурах до 1000° С.

Повзучість. При високих температурах істотне значення має явище повзучості матеріалів, що полягає в зростанні пластичної деформації із часом при постійному напруженні, що не викликає пластичних деформацій при короткочасній дії навантаження. Залежно від величини напруження й температури деформація, що відбувається в результаті повзучості, може або припинитися, або тривати до руйнування матеріалу.

На рис.4.19,а наведені криві повзучості сталі при постійній температурі для напруг . На рис.3.8,б — криві повзучості при постійній напрузі, але різних температурах, причому .

Рисунок 3.8 - Криві повзучості сталі

Як видно з порівняння графіків, збільшення напруження при постійній температурі й підвищення температури при постійному напруженні впливають на повзучість матеріалу, а саме - швидкість повзучості збільшується.

Окремі ділянки кривих рис.3.8 характеризують різні швидкості наростання деформації. Розглянемо, наприклад, криву 4. Вертикальний відрізок Оа зображує видовження, отримане відразу ж після навантаження. Ділянка ab — це ділянка нестабільної повзучості, тому що швидкість її тут надалі падає. Прямолінійна ділянка bс називається ділянкою сталої повзучості, що характеризується постійною швидкістю. Ділянка cd характеризує зростання швидкості повзучості, що закінчується руйнуванням зразка (точка d).

Інші криві повзучості відрізняються від кривої 4 тим, що в них відсутня та або інша ділянка. Так, криві 1, 2 і 3 зображують випадки, коли повзучість не викликає руйнування (на них відсутня ділянка cd). Крива 5 не має ділянки сталої повзучості (точка b і с злилися). Ця крива відповідає випадку, коли період несталої повзучості перемінюється відразу періодом зі зростаючою її швидкістю, що закінчується руйнуванням. Границя між цими двома періодами визначається крапкою перегину b.

Границею повзучості називається найбільше напруження, при якому швидкість або деформація повзучості при даній температурі за певний проміжок часу не перевищує встановленої величини (наприклад, швидкості 0,0001 %/ год, або деформації 1% за 10000 год).

Якщо границю повзучості визначають за величиною деформації, то позначають її буквою із трьома числовими індексами: двома нижніми й одним верхнім. Перший нижній індекс відбиває задане подовження (сумарне або залишкове), %; другий нижній індекс — задану тривалість часу випробування, год; верхній індекс — температуру, ⁰С. Наприклад, запис означає межа повзучості при допуску на деформацію 0,2% за 100 год випробування при температурі 700° С. При цьому необхідно додатково вказати, по сумарній чи залишковій деформації визначалася границя повзучості.

У випадку визначення границі повзучості по швидкості повзучості її варто позначати буквою із двома числовими індексами: одним верхнім і одним нижнім. Нижній індекс відбиває задану швидкість повзучості, %/год; верхній — температуру випробування, °С. Наприклад, — це границя повзучості при швидкості %/год при температурі 600°С. При цьому необхідно додатково вказати час випробування, за який була досягнута задана швидкість повзучості.

Деталі, що працюють при високих температурах, розраховують на повзучість спеціальними методами з використанням експериментальних даних, що характеризують повзучість матеріалу. Метою таких розрахунків є визначення границь повзучості.

За результатами експериментального визначення швидкості повзучості V_o при розтяганні зразків будують графіки в логарифмічних координатах . Експериментальні точки добре групуються біля деякої прямої. На рис.3.9,а така пряма показана штриховою лінією.

Відзначимо, що в деяких матеріалів (свинцю, бетону, високополімерних матеріалів і ін.) повзучість спостерігається й при нормальній температурі.

Тривала міцність. У випадку високої температури й тривалого впливу навантаження спостерігається руйнування матеріалу при напруженні, величина якого менше тимчасового опору матеріалу при даній температурі. У зв'язку із цим виникає необхідність визначення тривалої міцності матеріалів.

а б

Рисунок 3.9 - Експериментальне визначення швидкості повзучості

Межею тривалої міцності називається напруження, що викликає розрив зразка після заданого строку безперервної дії цього напруження при певній температурі. Позначається границя тривалої міцності буквою із двома числовими індексами. Верхній індекс дає температуру випробування, °С, нижній — задану тривалість випробування до руйнування, год. Останню можна позначати числом годин або цифрою 10 з показником ступеня. Наприклад, або — границя тривалої міцності за 1000 год випробування при температурі 700⁰ С.

Випробування на тривалу міцність полягають в тому, що зразки піддають різним напруженням при певній температурі і дізнаються час до їх розриву. Результат представляють у вигляді графіка (рис.3.9,б). Маючи криву тривалої міцності матеріалу, можна визначити руйнівне напруження по заданій тривалості служби деталі при даній температурі. Навпаки, за заданим напруженням можна визначити час до руйнування. Наприклад, деталь, виготовлена з матеріалу, для якого крива тривалої міцності зображена на рис.3.9,б, при напруженні в 30 МПа й температурі 500°С зруйнується через 2550 год.

Результати експериментального визначення тривалої міцності зручно представляти в логарифмічних координатах , де вони досить добре апроксимуються прямими. На рис.3.9,а така пряма зображена суцільною лінією для сталі 20 при температурі Т = 500° С.

Відзначимо, що чим менше руйнівне напруження, а виходить, більше час до розриву, тим менше відносне видовження при розриві, тобто матеріал стає більш крихким. Це явище називається крихкістю. Для ряду матеріалів (наприклад для високополімерів) зазначений ефект проявляється й при кімнатній температурі.

Релаксацією напруг називається зменшення їх із часом внаслідок повзучості в навантаженій деталі при незмінній її повній деформації. У більшості металів релаксація помітна лише при високих температурах.

Типова крива релаксації напруг зображена на рис.4.21,а.

Відомо, що початкове затягування болтів, що працюють при високій температурі, із часом слабшає, і це викликає необхідність підтягувати їх.

а
б

Рисунок 3.10 - Релаксація напруг

Вплив низьких температур. Істотний вплив на механічні властивості деяких матеріалів мають низькі температури. Проявляється це тим, що матеріали, пластичні при нормальній температурі, стають крихкими при низьких температурах. Такі матеріали називаються холодноламкими.

Холодноламкість характерна для металів, що мають кристалічні ґрати у вигляді об'ємноцентрованого куба або гексагональні. До числа їх відносяться більшість чорних металів, зокрема, сталі, а також цинкові сплави.

Проявляється холодноламкість як при статичній дії навантаження, так і, особливо, при динамічній.

Як приклад, на рис.3.11 наведені графіки зміни границі текучості, тимчасового опору, відносного видовження й звуження при статичних випробуваннях вуглецевої сталі в області низьких температур.

Метали, що кристалізуються в системі куба із центрованими гранями (мідь, алюміній, нікель, срібло, золото й ін.), не виявляють холодноламкості ні при якому зниженні температури. Наприклад, алюміній при температурі рідкого азоту (-196°С) збільшує міцність приблизно в 2 рази, збільшуючи одночасно відносне видовження в 4 рази. Аналогічно поводяться мідь і нікель. Багато сплавів алюмінію, міді, а також деякі сталі не мають властивість холодноламкості.

Рисунок 3.11 - Графіки зміни величин границі текучості, тимчасового опору, відносного подовження і звуження

Дата добавления: 2013-12-14