Металлы и материалы, применяемые для наращивания деталей электролитическими покрытиями

Электролитические покрытия применяются в авторемонтном произ­водстве для наращивания изношенных поверхностей деталей, повышения их износостойкости, в декоративных целях и для предупреждения кор­розии. Кроме того, никелевые и медные электролитические осадки мо­гут использоваться как подслой под другие покрытия, а медные осадки еще и перед цементацией и цианированием для защиты тех поверхностей деталей, которые не требуют насыщения углеродом и азотом.

Перед электролитическим хромированием и никелированием покры­ваемые поверхности обычно подвергают тонкому шлифованию и поли­рованию с использованием шлифовальных и полировальных кругов.

Наибольшее применение в авторемонтном производстве нашли войлочные круги как наиболее дешевые: мягкие - для шлифования деталей из алюминиевых и цинковых сплавов; твердые — для шлифова­ния стальных деталей. При тонком шлифовании войлочными кругами может быть обеспечен 8-9-й класс шероховатости по ГОСТ 2789-79. Полировальные круги изготовляют из войлока, сукна, фетра, бязи, мит­каля, байки и киперной ткани. На рабочую поверхность полировальных кругов наносят полировальные пасты. Главнейшими со­ставляющими полировальных паст являются абразивы (окись хрома, окись алюминия, венская известь и др.) и связующие вещества (стеа­рин, парафин, жир и т. д.). В целях повышения эффективности полиро­вания в состав паст целесообразно включать поверхностно-активные ве­щества: олеиновую кислоту, различные эмульгаторы и пр. При ремонте деталей железнением шлифование и полирование их поверхностей мяг­кими (войлочными) кругами не производится.

Поверхности деталей, подвергаемые электролитическому наращи­ванию, должны быть тщательно очищены. Смазку и жир в электролити­ческих цехах обычно удаляют с поверхности деталей натиранием соста­вами, приготовляемыми на основе венской извести, или обработкой в щелочных растворах в специальных ваннах. Для лучшего их действия в щелочные, растворы вводят специальные добавки-эмульгаторы, обво­лакивающие масляные капли и способствующие отрыву их от поверх­ности деталей. В качестве эмульгаторов при подготовке поверхностей под наращивание применяют мыло, жидкое стекло, декстрин и др.

Эффективны эмульгаторы ОП-7, ОП-10.

По сравнению с горячим химическим обезжириванием более эффек­тивно горячее электрохимическое обезжиривание в электролитических ваннах. Очищаемая деталь обычно подключается в качестве катода. В качестве анода рекомендуется применять никелевые или стальные никелированные пластины. Возможно и обратное подключение (деталь-анод) и даже работа на переменном токе. Обезжиривание деталей во всех случаях объясняется интенсивным выделением на их поверхностях пузырьков газа (кислорода и водорода), разрывающих жировую плен­ку.

Процесс снятия окисной микропленки с поверхностей деталей перед покрытиями называется декапированием, или анодным травлением. Этот процесс может осуществляться химическим и электрохимическим способами. В авторемонтном производстве, как правило, применяется электрохимическое декапирование. Применительно к хромированию и никелированию оно может осуществляться непосредственно в рабочих ваннах для наращивания переключением на 30—50 с полярности ванны (деталь на это время становится анодом) или в специальных ваннах. При осталивании декапирование (анодное травление) всегда произво­дится в специальных ваннах. При декапировании деталь подключается в качестве анода. Катодами в кислых растворах служат свинцовые пла­стины, в щелочных — железные.

В авторемонтном производстве для восстановления деталей элек­тролитическим наращиванием применяются в настоящее время хроми­рование, осталивание, покрытия на железоцинковой, железоникелевой, железоцинкомарганцевой, железомарганцевой и других основах. Для получения защитных и декоративных покрытий применяют цинкование, меднение, кадмирование, анодирование, никелирование, хромирование. В большинстве случаев электролитические покрытия наносятся в специ­альных ваннах; довольно широко применяются также проточно-струйные процессы и электролитическое натирание, осуществляемые на спе­циальных установках.

Для восстановления изношенных поверхностей деталей в авторе­монтном производстве широкое применение получили покрытия элек­тролитическим железом (осталивание). Для этой цели применяют элек­тролиты горячие, холодные и пониженной температуры. По составу компонентов эти электролиты подразделяются на хлористые, хлористо-марганцевые, хлористо-сульфатные и др.; имеется также положительный опыт использования для восстановления деталей железомарганцевых, железоцинковых, цинконикелевых и других сложных по составу покрытий. Покры­тия, получаемые при указанных процессах, уступают хромовым по твер­дости и износостойкости, а также по надежности их сцепления с основ­ным металлом, зато процесс электролитического железнения в несколь­ко раз более производительный по отношению к хромированию.

Электролит для железнения в хлористых ваннах получают травлени­ем очищенной от грязи, окислов и жира металлической стружки мало­углеродистой стали в 50%-ном растворе соляной кислоты. Можно также получить хлористый электролит травлением восстановленного железного порошка (например, толченой прокатной окалины) или проработкой током раствора хлорного железа, в результате чего трехвалентное железо восстанавливается до двухвалентного.

Аноды при железнении применяют круглой формы, их следует завешивать в мешочки из стеклоткани и не реже одного раза в смену вынимать из ванны и очищать стальными щетками. Ванны для электро­литического железнения рекомендуется оснащать устройствами для фильтрации и циркуляции электролита.

Все большее распространение в последние годы приобретает процесс восстановления поверхностей автомобильных деталей (внутренних и на­ружных) электролитическим натиранием. Процесс привлекает высокой производительностью, возможностью нанесения покрытий на стальные, чугунные и алюминиевые поверхности. При осуществлении процесса используются металлические аноды из кислотостойких металлов с обли­цовкой из фетра, поролона или другого гигроскопического материала, которым при работе сообщается вращательное и поступательное движе­ние. При осаждении непрерывно возникают электролитические микро­ванны в месте временного контакта поверхности детали и пропитанной электролитом облицовки анода. Благодаря непрерывной подаче электро­лита создается возможность использования высоких плотностей тока. При электролитическом натирании в зависимости от особенностей про­цесса представляется возможным использовать разнообразные по соста­ву электролиты.

6. КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Механическое разрушение можно определить как любое изменение размера, формы или свойств материала конструкции, машины или отдельной детали, вследствие которого конструкция или машина уже не может удовлетворительно выполнять свои функции. Ос­новной задачей конструктора является создание такой конструк­ции, которая выполняла бы предназначенные ей функции в тече­ние заданного срока и при этом была бы конкурентоспособной. Успешное создание конкурентоспособных изделий, которые не разрушались бы преждевременно, может быть осуществлено лишь при умении предвидеть и оценивать вероятность всех возможных видов разрушения, представляющих опасность для создаваемых изделий. Чтобы выявить возможные виды разрушения, необходимо, по крайней мере, иметь представление обо всех встречающихся на практике видах разрушения и об условиях, при которых они могут происходить. Если конструктор желает добиться успеха в предот­вращении разрушения в течение заданного срока эксплуатации изделия, он должен хорошо владеть аналитическими и (или) эмпи­рическими методами оценки возможности разрушений. Ясно, что исследование разрушения, его предсказание и предотвращение являются важнейшими задачами конструктора, желающего до­биться определенного успеха.

Проектирование представляет собой итерационный процесс, целью которого является создание новой или усовершенствование уже су­ществующей технической системы (или устройства) для удовлетво­рения потребностей или желаний человека при условии экономного расходования ресурсов и соблюдении требований охраны окружающей среды. Основной целью любого технического проекта является удов­летворение потребностей или желаний человека, иначе это будет для инженера пустой тратой времени. Создает ли конструктор но­вое устройство или модернизирует уже существующее, он должен стремиться создать «наилучшую», или оптимальную, конструкцию с учетом, конечно, ограниченности выделенных ему времени и средств. К сожалению, при создании сложных технических систем условия абсолютной оптимальности конструкции зачастую невоз­можно определить, а тем более практически невозможно создать такую конструкцию. Если даже и удастся определить условия оп­тимальности конструкции, создание ее может потребовать очень больших затрат. Возникает необходимость оптимизации конструкции инженерными средствами по ее характеристикам, сроку эксплуатации, весу, стоимости или по всем этим критериям одновременно при условии, конечно, осознания ответственности за сохранность ресурсов и окружающей среды.

Появление новых материалов, необходимость повышения эксплуатационных скорос­тей и температур, необходимость снижения веса, уменьшения объе­ма, увеличения сроков эксплуатации, снижения стоимости и дости­жения экологической совместимости — все это вызывает необхо­димость совершенствования методов расчета.

Например, обычными становятся скорости вращения вала 30 000 об/мин и более и температура эксплуатации 1100°С и выше. Многим инженерам приходится иметь дело с режимами сверхзву­ковых полетов и космическими условиями, ядерным облучением в сочетании с повышенными температурами и длительным воздейст­вием динамических нагрузок. Не менее серьезные проблемы возни­кают в связи с созданием сверхминиатюрной техники протезов для сердечнососудистой системы или других органов человека.

Все это вынуждает конструкторов и расчетчиков более тща­тельно исследовать поведение материалов, внимательнее изучать особенности условий эксплуатации, добиваться лучшего понима­ния разнообразных видов механического разрушения. Возникает необходимость лучшего понимания особенности напряженно-де­формированного состояния при динамическом нагружении в не­благоприятных условиях и влияния полей остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления. Осознание того, что во всех реальных материалах и конструкциях с самого начала сущест­вуют трещиноподобные дефекты, заставило разработать новые ме­тоды, позволяющие исследовать распространение трещин в услови­ях как монотонных, так и циклических нагружений. Возможность контроля и ремонта стали такими же важными критериями качест­ва конструкции, как надежность и работоспособность.

Противоречащим требованиям увеличения мощности и умень­шения размеров можно удовлетворить, либо (1) разрабатывая но­вые, более прочные и жесткие материалы, либо (2) эффективнее используя прочность и жесткость имеющихся материалов. Первая из этих возможностей относится к области материаловедения. Вторая же возможность является основной задачей конструкторов и расчетчиков. Для более эффек­тивного использования прочности и жесткости существующих ма­териалов в условиях постоянно возрастающих требований к тех­нике завтрашнего дня конструктору потребуется в полной мере использовать доступные ему аналитические методы, инженерный опыт, творческую выдумку и интуицию.

В некотором смысле «идеальной» конструкцией была бы такая, которая полностью разрушилась бы по истечении заранее заданного срока. Другими словами, каждая деталь каждого элемента машины должна быть спроектирована так, чтобы она обращалась в пыль в точно заданный момент времени. Однако по многим причинам создание такой конструкции невозможно и, вероятно, даже неже­лательно, хотя именно в такой конструкции наиболее полно ис­пользовались бы возможности материала.

Если бы было можно изготовить такую «идеальную» конструк­цию, непременно потребовались бы проведение уточненных иссле­дований, большого количества сложных экспериментов, полного анализа всех свойств материала, а также точное задание эксплуата­ционных условий и, конечно, талантливый конструктор, который мог бы осуществить все это. Поскольку проведение таких исследо­ваний требует больших затрат как времени, так и средств, грамот­ный инженер должен в каждом конкретном случае уметь оценить целесообразность затрат средств и труда. Ясно, что так называемая идеальная конструкция, стоимость которой в десять раз превышает стоимость «неидеальной», но вполне приемлемой конструкции, не может быть предметом гордости инженера. Вопрос о том, когда следует остановиться при расчетах и приступить к изготовлению конструкции, является основным для каждого инженера и руково­дителя. Чтобы выяснить, достигнуты ли основные цели проекти­рования, обычно анализируются и учитываются следующие фак­торы:

1.Все детали машины или конструкции должны передавать нагрузку и совершать необходимые движения эффективно и эко­номично.

2.Ни одна деталь не должна разрушаться раньше некоторого заданного срока эксплуатации.

3.Каждая деталь должна выполнять предназначенную ей функ­цию, не мешая функционированию других частей машины.

4.Деталь должна быть такой, чтобы ее можно было изготовить и смонтировать в машине.

5.Стоимость готовой детали должна соответствовать ее назна­чению.

6.Вес детали и занимаемый ею объем должны соответствовать назначению.

7.Должна быть обеспечена возможность обслуживания и ре­монта в процессе всего срока эксплуатации конструкции деталей, для которых это требуется.

8.Машина или конструкция должна не только удовлетвори­тельно функционировать в течение заданного времени, но и быть конкурентоспособной и прибыльной для изготовителя.

6.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Конструкционными называют материалы, предназначенные для из­готовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвер­гающиеся механическим нагрузкам. Детали машин и приборов характе­ризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основ­ные из которых — эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающую надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Механические свойства, определяющие конструкционную прочность и выбор конструкционного материала, будут рассмотрены в следующем параграфе. Требуемые значения механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и от воз­действия на него рабочей среды и температуры.

Среда — жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в ко­торой работает материал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойства, снижая работоспо­собность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать поврежде­ние поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, а также изменение химического состава поверхност­ного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (напри­мер, водородом, вызывающим охрупчивание). Кроме того, возможны раз­бухание и местное разрушение материала под действием ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять рабочей среде, материал должен обладать не только механическими, но и определенными физико-химическими свойствами: стойкостью к электрохимической кор­розии, жаростойкостью (окалиностойкостью), радиационной стойкостью, влагостойкостью, способностью работать в условиях вакуума и др.

Температурный диапазон работы современных материалов очень ши­рок — от -269 до 1000 °С, а в отдельных случаях до 2500 °С. Для обеспече­ния работоспособности при высокой температуре от материала требуется жаропрочность, а при низкой температуре — хладостойкость.

В некоторых случаях важно также требование определенных магнит­ных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).

Технологические требования (технологичность материала) напра­влены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала оценивается обрабатывае­мостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет большое значе­ние, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможно­сти должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих легирующие элементы, должно быть обосновано повышением эксплуатационных свойств деталей.

Экономические требования, так же как и технологические, приобре­тают особое значение при массовом масштабе производства.

Таким образом, качественный конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований.

6.2. Конструкционная прочность материалов и критерии ее оценки

Конструкционная прочность — комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, жесткости, надежности и долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках критериями прочности являются временное сопротивление σ_в и предел текучести σ_0,2 (σ_т), характеризую­щие сопротивление материала пластической деформации. Характеристики σ_в и σ_0,2 используют также для оценки прочности деталей при кратковременных циклических перегрузках и при малом числе циклов (< 10³).

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 НВ (для сталей справедливо эмпирическое соотношение σ_в = НВ/3).

Большинство деталей машин испытывает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности — предел выносливости σ_R (при сим­метричном круговом изгибе σ_-1).

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

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

ε_упр = σ/Е,

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, важна эффективность материала по массе. Она оценивается удельны­ми характеристиками: удельной прочностью σ_в /(ρg) (где ρ — плотность материала; g — ускорение свободного падения) и удельной жесткостью Е/(ρg).

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

Кроме стандартных механических характеристик σ_в и σ_0,2, харак­теризующих 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 250°С, необходимы σ_в и σ_0,2, E при такой температуре, а также а σ_-1, 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. Известно немало аварий из-за хрупкого разрушения корпусов судов, ферм мостов, трубопроводов и других конструкций.

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные матери­алы должны обладать достаточной пластичностью (δ, ψ) и ударной вязко­стью (KCU). 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. Это концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор).

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.п.). Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения, в верши­не которых могут во много раз превышать средние расчетные напряжения (рис. 12).

Для трещины длиной l и радиусом r (см. рис. 12) напряжение в вершине

. (1)

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 длины наступает самопроизвольный лавинообразный рост трещины, вызывающий хрупкое разрушение.

Так как высокопрочные материалы обладают определенной пластич­ностью, то для них реальную опасность представляют трещины не любых размеров, а только критической длины l _кр. Подрастание трещины до l _кр 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 Ж. Ирвина. Им предложено два критерия трещиностойкости, из которых наибольшее применение имеет критерий К — коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины. Он определяет растягивающие напряжения σ_у в любой точке (рис. 13) впереди вершины трещины

. (2)

Знаменатель дроби обращается в единицу при х ≈ 0,16, поэтому К численно равен σ_у на расстоянии ~ 0,16 мм от вершины трещины.

Критерий К для наиболее жесткого нагружения (плоская деформация растяжением) обозначают К₁, а при достижении критического значения, когда стабильная трещина переходит в нестабильную, — К_1с. Критерий К_1с показывает, какого значения (интенсивности) достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения. Он связывает прило­женное среднее напряжение с критической длиной трещины:

, (3)

где α — безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию тре­щины.

Из соотношения (3) следует, что единица измерения К_1с — МПа·м^[1]/2.

Значение К_1с определяют экспериментально на образцах с надрезом и с заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной (рис. 12). Для расчета К_1с при нагружении образца фиксируют усилие в момент подрастания трещины на некоторую длину и перехода ее к нестабильному распространению.

Значение К_1с зависит от степени пластической деформации у вер­шины трещины (ее затуплении) и характеризует сопротивление разви­тию вязкой трещины. По этой причине критерий К_1с называют вяз­костью разрушения. Чем значение К_1с больше, тем выше сопротивле­ние материала вязкому разрушению и его надежность. Кроме качествен­ной характеристики надежности, К_1с дополняет параметры σ_0,2 и Е при расчетах на прочность деталей из высокопрочных материалов (сталей σ_в ≥ 1200 МПа, титановых сплавов с σ_в ≥ 800 МПа и алюминиевых спла­вов с σ_в ≥ 450 МПа). Этот критерий позволяет определить безопасный размер трещины при известном рабочем напряжении или, наоборот, бе­зопасное напряжение при известном размере дефекта. Например, при ра­бочем напряжении ар (рис. 13) трещина длиной l будет безопасной для материала II и вызовет разрушение в материале I, имеющем меньшее значение К_1с (К_1с^I < К_1с^II).

Для оценки надежности материала используют также следующие па­раметры: ударную вязкость KCV и KCT (ударная вязкость, определенная на образце с V-образным концентратором при комнатной температуре или на образце с усталостной трещиной), температурный порог хлад­ноломкости t₅₀ (температура, соответствующая равным долям (50%) хрупких и вязких участков разрушения в изломе при определении ударной вязкости). Однако это качественные, непригодные для расчета на прочность параметры.

Параметром KCV 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 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. Так же как и К_1с, КСТ 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.

О пригодности материала для работы при заданной температуре су­дят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t₅₀. 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. 14 показан случай, когда ударная вязкость двух сталей при температуре эксплуатации, равной 20°С, одинакова. Однако переход в хрупкое состояние стали 1 (мелкозернистой) заканчивается при -40 °С, а стали 2 (крупнозернистой) при 0°С. По сравнению с температурой экс­плуатации температурный запас вязкости у стали 1 составит 60 °С, а у стали лишь 20 °С. Сталь 1 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). Постепенный отказ — потеря материалом работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий. Причины по­тери работоспособности (постепенного отказа) разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии, радиационно­го разбухания и др. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Рис. 14. Зависимость ударной вязко­сти от температуры испытания мел­козернистой (1) и крупнозернистой (2) стали (0,22 % С)

Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность опреде­ляется сопротивлением материала усталостным разрушениям (цикличе­ской долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойко­стью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность мате­риала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Она тем выше, чем ниже скорость зарождения и скорость развития трещины усталости.

Важной характеристикой конструктивной проч­ности, характеризующей надежность материала, является жи­вучесть при циклическом нагружении. Под живучестью понимают долговечность детали от момента зарождения первой макроскопи­ческой трещины усталости размером 0,5—1,0 мм до окончатель­ного разрушения.

Количественно живучесть конструкции оценивается коэффи­циентом β = 1 — τ₀/τ_раз, где τ₀ и τ_раз — продолжительность эксплуа­тации конструкции до появления трещин и до разрушения соответ­ственно. Коэффициент живучести может колебаться от 0,1 до 0,9. Раннее зарождение трещин усталости объясняется дефектами метал­лургического и технологического характера, а также неудачной конструкцией изделия (наличие концентраторов напряжений).

Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуата­ции изделий, безаварийная работа которых поддерживается пу­тем периодического дефектоскопирования различными физиче­скими методами для выявления усталостных трещин. Чем меньше скорость развития трещины, тем легче ее обнаружить.

Износостойкость характеризует сопротивление материала разруше­нию поверхности путем отделения его частиц под воздействием силы тре­ния. Износостойкость оценивают величиной, обратной скорости изнаши­вания.

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.

Долговечность деталей, работающих в атмосфере нагретых сухих га­зов или жидких электролитов, зависит соответственно от скорости хи­мической или электрохимической коррозии. Работоспособность в таких средах сохраняют жapостойкие и коррозионно-стойкие материалы.

Таким образом, работоспособность материала детали в условиях экс­плуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочно­сти:

1) критерии прочности σ_в, σ_0,2, σ_-1, 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 δ, ψ, ударная вязкость КСТ, KCV, KCU, вязкость разрушения К_1с, порог хладноломкости t₅₀, которые оценивают надеж­ность материала в эксплуатации;

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

6.3. 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 качеств 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.

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. К методам упрочнения относятся легирование, пластическая деформация, термическая, термомеханическая и химико-термическая обработка. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов.

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 σ_T и плотностью дислокаций ρ:

,

где G – коэффициент сдвига,- вектор Бюргерса.

Дата добавления: 2014-01-07