Требования к свойствам конструкционных сплавов
В зависимости от условий эксплуатации деталей в механизмах и конструкциях к свойствам или комплексу свойств сплавов предъявляют определенные требования.
Важнейшим свойством конструкционных материалов является уровень статической прочности. Повышение прочности приводит к снижению металлоемкости конструкций и повышению их надежности и долговечности. Для обеспечения прочности сплавов используют различные механизмы упрочнения, основанные на торможении движения дислокаций в сплаве. Торможение движения дислокаций происходит на таких объектах структуры, как атомы легирующих элементов, скопления дислокаций, границы зерен, дисперсные частицы упрочняющих фаз в объеме зерна и по границам зерен (рис. 10.1).
Повышение прочности отмечают при изменении следующих факторов:
• увеличении концентрации легирующего элемента (твердорастворный механизм упрочнения);
• повышении плотности дислокаций (дислокационный механизм упрочнения);
• уменьшении размера зерна, т. е. при увеличении доли границ зерен (зеренный механизм упрочнения);
• увеличении степени дисперсности частиц упрочняющих фаз и их количества (дисперсионное упрочнение).
Для реализации этих механизмов упрочнения используют различные способы воздействия на материал: легирование, модифицирование расплавов, холодную пластическую деформацию, последующий нагрев, термическую обработку.
В композиционных материалах высокой прочности достигают при введении в материал высокотвердых, высокомодульных составляющих, таких как волокна углерода, бора, оксидов, карбидов, нитридов.
Кроме повышенной прочности конструкционных материалов, для изготовления деталей машин сплавы должны обладать свойствами, которые соответствуют назначению и условиям эксплуатации изделий (вид и характер нагружения, температура, окружающая среда и т.п.). Этот комплекс характеристик относится к параметрам конструкционной прочности. Например, при выборе материала для деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, уделяют внимание такой характеристике, как предел выносливости; для изделий, подвергаемых нагрузкам при повышенной температуре, — предел длительной прочности и т.д.
Выносливость (циклическая прочность, усталостная прочность) — это способность материала сопротивляться разрушению под действием циклических нагрузок.
Усталость — процесс постепенного накопления повреждений материала (изделия) под действием многократных знакопеременных нагрузок, проводимых с высокой частотой, который приводит к изменению структуры, свойств и к разрушению.
Выносливость оказывает влияние на работоспособность большинства групп ответственных деталей машин — валов, шатунов, штоков, валов-шестерен и др. Характеристикой выносливости является предел выносливости о-1 (МПа) при наиболее опасном симметричном цикле.
При получении материала и изготовлении изделия для обеспечения выносливости необходимо управлять различными факторами:
• на этапе выплавки повышать качество металла путем уменьшения количества пор и неметаллических включений, а при модифицировании уменьшать размер зерна;
• на этапе механической обработки изделия снижать шероховатость поверхности;
• на этапе термообработки изделия повышать прочность материала, применяя различные механизмы упрочнения;
• при химико-термической обработке заготовок (цементации, азотировании, нитроцементации), при поверхностной пластической деформации создавать напряжения сжатия на поверхности.
Обобщенное влияние различных технологических факторов на предел выносливости материала (сплава) можно выразить зависимостью
где ов — временное сопротивление при растяжении; HRCпов — твердость поверхности; осж — напряжения сжатия на поверхности; dз — размер зерна в сплаве; nдеф — количество металлургических дефектов.
При изготовлении таких деталей, как валы, оси, зубчатые колеса, работающих на изгиб и кручение, особенно важно применять поверхностное упрочнение для повышения предела выносливости. При таких способах нагружения вследствие неравномерного распределения напряжений по сечению максимальная величина напряжений приходится на поверхностные слои, где и начинается зарождение усталостной трещины.
При циклических контактных нагрузках в таких деталях, как зубчатые передачи, подшипники и др., развивается контактная усталость. Сопротивление материала контактной усталости называется контактной выносливостью.
Необходимо повышать твердость контактирующих поверхностей для обеспечения контактной выносливости деталей. С этой целью применяют либо высокотвердые стали, либо поверхностное упрочнение химико-термической обработкой или поверхностной закалкой. Кроме того, используют смазочные материалы, пленочные полимерные покрытия, затрудняющие контакт металлических поверхностей.
Свойство материала безотказно работать в течение срока эксплуатации, исключая недопустимые деформации и разрушения, называется надежностью.
В общем случае возможны два вида разрушения — вязкое и хрупкое. Хрупкое разрушение развивается в упругой области при напряжениях ниже условного предела текучести, в отсутствие заметной пластической деформации. Хрупкая трещина распространяется со скоростью, близкой к скорости звука. Наиболее опасным при эксплуатации деталей и конструкций является хрупкое разрушение, приводящее к внезапной поломке.
Для обеспечения надежности, предотвращения хрупкого разрушения материал должен иметь высокие значения таких характеристик, как относительное удлинение (после разрушения) b, относительное сужение (после разрушения) w, ударная вязкость KCU, KCV, КСТ, критическая температура хрупкости, критический коэффициент интенсивности напряжений К1c.
Критическую температуру хрупкости t50 определяют по результатам серии испытаний на ударную вязкость при различных температурах. Обозначение характеристики t50 означает температуру, при которой излом ударных образцов состоит примерно из 50 % хрупкого и 50 % вязкого излома.
Критический коэффициент интенсивности напряжений К1c характеризует сопротивление материала развитию вязкой трещины (в условиях эксплуатации). В деталях конструкций всегда есть микротрещины металлургического и технологического происхождения; они могут возникать и при эксплуатации. Чем больше значение К1c, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и выше надежность работы деталей, изготовленных из этого материала. Коэффициент К1c (или иначе — статическая трещино-стойкость) служит одним из наиболее информативных параметров надежности.
Повышения уровня всех указанных характеристик достигают при управлении несколькими факторами: металлургическим (повышение чистоты сплава по примесям); термообработкой (уменьшение размера зерна, выбор специальных режимов для некоторого снижения уровня прочности), применением покрытий, защищающих сплавы от насыщения водородом при эксплуатации.
Во время эксплуатации рабочие поверхности деталей машин находятся под нагрузкой — в постоянном или периодическом контакте с поверхностью другой детали или с рабочей средой, подвергаясь изнашиванию — процессу отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела (постепенной повреждаемости поверхности детали).
Различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное (ГОСТ 27674—88). Механическое изнашивание имеет ряд разновидностей, которые, в свою очередь, подразделяют на две группы по признаку того объекта, под влиянием которого происходит процесс изнашивания, — на изнашивание в парах трения и изнашивание в контакте с рабочей средой.
Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания. Износ — результат изнашивания поверхностей трения, определяемый в установленных единицах. Износ может выражаться в единицах длины, объема, массы и др., проявляется в потере веса, изменении формы, размеров и состояния поверхности детали.
Для обеспечения износостойкости используют стали и сплавы с повышенной твердостью, а также проводят поверхностное упрочнение при химико-термической обработке (цементации, азотировании, нитроцементации) и поверхностной закалке.
Жаропрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости достигают в основном с помощью специального легирования или всего объема сплава, или его поверхности (нанесение покрытий). Высокий уровень этих свойств имеют высоколегированные хромистые и хромоникелевые стали. Кроме того, жаростойкость и коррозионную стойкость обеспечивают применением специальных покрытий.