Конструкційна міцність 1

Конструкційні матеріали - матеріали, з яких виготовляють деталі конструкцій (машин, споруд), що сприймають силові навантаження (статичні, знакозмінні, вібраційні та ін.). У приладобудуванні ці матеріали застосовуються в корпусних вузлах, деталях виконавчих механізмів, підкладках, і корпусах електронних приладів.

Визначальними параметрами констр. матеріалів є механічні властивості, що їх відрізняє від інших технічних матеріалів (оптичних, ізоляційних, мастильних, лакофарбових, абразивних і ін.). До основних критеріїв якості констр. матеріалів відносяться параметри опору зовнішнім навантаженням. міцність, в'язкість, надійність, ресурс та ін.

Історично основою констр. матеріалів стали металеві сплави на основі заліза (чавуни і сталі), міді (бронзи і латуні), свинцю, олова.

Удосконалення техніки на кожному етапі розвитку подавала нові, безперервно усложнявшиеся вимоги до констр. матеріалами, зокрема вимоги щодо жаростійкості, зносостійкості, ел. провідності і ін.).

Констр. матеріали поділяються:

- за природою матеріалів - металеві, неметалеві і композиційні, що поєднують позитивні властивості тих і ін. Матеріалів;

- по технологічного виконання - на деформовані (прокат, поковки, штампування, пресовані профілі та ін.); литі, спікається, формовані, склеювані, зварювані (плавленням, вибухом, дифузійним зрощенням і ін.);

- за умовами роботи - на що працюють при низьких температурах, жароміцні, корозійно, окаліно-, зносо-, паливо, масло-стійкі та т.д .;

- за критеріями міцності - на матеріали малої і середньої міцності з великим запасом пластичності і високоміцні з помірним запасом пластичності.

Окремі класи констр. матеріалів. в свою чергу поділяють на численні групи.

Наприклад, металеві сплави розрізняють:

- по системам сплавів - алюмінієві, магнієві, титанові, мідні, нікелеві, молібденові, ніобієві, беріліевие, вольфрамові, на залізній основі та ін .;

- за типами зміцнення - гартувати, покращувані, старіючі, Цементовані, ціаніруемие, азотіруемие і ін .;

- по структурному складу - стали аустенітні і феритної, латуні і т.д.

Неметалеві конструкційні матеріали поділяють

- по ізомерний складу,

- технологічного виконання (пресовані, ткані, формовані, намотані та ін.);

- за типами наповнювачів (армуючих елементів);

- за характером їх розміщення і орієнтації.

Існують також техніко-економічні параметри констр. матеріалів:

- технологічні параметри - оброблюваність металу тиском, різанням, ливарні властивості, (жидкотекучесть, схильність до утворення гарячих тріщин при литті), зварюваність, паяемости, швидкість затвердіння і текучість полімерних матеріалів при нормальних і підвищених температурах і ін.

- Чимало важливі показники економічної ефективності (вартість, трудомісткість, дефецітность, коефіцієнт використання металу і т. Д.).

До металевих констр. матеріалами відноситься більшість що випускаються промисловістю марок сталі. Виняток становлять стали, які не використовуються в силових елементах конструкцій. інструментальні стали, для нагрівальних елементів, для присадочной дроту (при зварюванні) і деякі інші з особливими фізичними та технологічними властивостями. Стали складають основний обсяг констр. матеріалів використовуваних технікою. Вони відрізняються великим діапазоном міцності - від 200 до 3000 Мн / м2 (20-300 кгс / мм2), пластичність сталей досягає 80%. Чавуни широко застосовуються в машинобудуванні для виготовлення станин, колінчастих валів, зубчастих коліс, циліндрів двигунів вн. Згоряння, деталей, що працюють при температурі до 1200 ° .З в окислювальних середовищах і ін. Міцність чавунів коливається в залежності від легування коливається від 110 Мн / м2 до 1350 Мн / м2 (легований магнієвий чавун).

Нікелеві сплави і кобальтові сплави зберігають міцність до 1000-1100 ч. Виплавляються в вакуумно-індукційних печах, а також в плазмових та електронно-променевих печах. Застосовуються в авіаційних і ракетних двигунах, парових турбінах, апаратах, що працюють в агресивних середовищах і ін.

Міцність алюмінієвих сплавів складає. демпфіруемих до 750 Мн / м2, ливарних до 550 Мн / м2, за питомою жорсткості вони значно перевершують стали. Служать для виготовлення корпусів літаків,

вертольотів, ракет, судів різного призначення і ін.

Магнієві сплави відрізняються високим питомим об'ємом (у 4 рази вище, ніж у сталі), мають міцність до 400 Мн / м2 і вище; застосовуються переважно у вигляді литва в конструкціях літальних апаратів, в автомобілебудуванні, в текстильній і поліграфічній промисловості та ін.

Титанові сплави починають успішно конкурувати в ряді галузей техніки зі сталями і алюмінієвими сплавами, перевершуючи їх по питомій міцності, корозійної стійкості і по жорсткості. Сплави мають міцність до 1600Мн / м2 і більше. Застосовуються для виготовлення компресорів авіаційних двигунів, апаратів хімічної та нафтохімічної промисловості, медичних інструментів і ін.

До констр. матеріалів відносяться також сплави на основі міді, цинку, молібдену, цирконію, хрому, берилію, які знайшли застосування в різних областях техніки.

Неметалеві конструкційні матеріали включають пластики, термопластичні полімерні матеріали, кераміку, вогнетриви, стекла, гуми, деревину.

Пластики на основі термореактивних, епоксидних, фенольних, кремнійорганічних термопластичних смол і фторопластов, армовані (зміцнені) скляними, кварцовими, азбестовими і ін. Волокнами, тканинами і стрічками, застосовуються в конструкціях літаків, ракет, в енергетичному, транспортному машинобудуванні та ін. Термопластичні полімерні матеріали - полістирол, поліметилметакрилат, поліаміди, фторопласти, а також реактопласти використовують в деталях електро- і радіоустаткування, вузлах тертя, що працюють в різних середовищах, в тому числі хі іческі активних: паливах, маслах і т.п.

Скло (силікатні, кварцеві, органічні), триплекси на їх основі служать для скління судів, літаків, ракет; з керамічних матеріалів виготовляють деталі, що працюють при високих температурах.

Гуми на основі різних каучуків, зміцнені кордної тканини, застосовуються для виробництва покришок або монолітних коліс літаків і автомобілів, а також різних рухливих і нерухомих ущільнень.

Розвиток техніки пред'являє нові, більш високі вимоги до існуючих К. м. Стимулює створення нових матеріалів. З метою зменшення маси конструкцій літальних апаратів використовуються, наприклад, багатошарові конструкції, що поєднують в собі легкість, жорсткість і міцність. Зовнішнє армування металевих замкнутих об'ємів (кулі, балони, циліндри) склопластиком дозволяє значно знизити їх масу в порівнянні з металевими конструкціями. Для багатьох областей техніки необхідні К. м. Поєднують конструкційну міцність з високими електричними, теплозахисними, оптичними та іншими властивостями.

Композиційні матеріали .. Т. к. В складі конструкційних матеріалів (к.м.н.) знайшли своє застосування майже всі елементи таблиці Менделєєва, а ефективність стали вже класичними для металевих сплавів методів зміцнення шляхом поєднання спеціально підібраного легування, високоякісної плавки і належної термічної обробки знижується , перспективи підвищення властивостей

к. м. пов'язані з синтезуванням матеріалів з елементів, що мають граничні значення властивостей, наприклад, гранично міцних, гранично тугоплавких, термостабільних і т.п. Такі матеріали складають новий клас - композиційні матеріали.

У них використовуються високоміцні елементи (волокна, нитки, дріт, ниткоподібні кристали, гранули, дисперсні високотвёрдие і тугоплавкі з'єднання, складові армування або наповнювач), зв'язуючим матрицею з пластичного і міцного матеріалу (металевих сплавів або неметалічних, переважно полімерних, матеріалів). Композиційні К. м. По питомій міцності і питомій модулю пружності можуть на 50-100% перевершувати стали або алюмінієві сплави і забезпечують економію маси конструкцій на 20-50%.

Поряд зі створенням композиційних матеріалів, що мають орієнтовану (ортотропних) структуру, перспективним шляхом підвищення якості К. м. Є регламентація структури традиційних К. м. Так, шляхом спрямованої кристалізації сталей і сплавів отримують литі деталі, наприклад, лопатки газових турбін, що складаються з кристалів , орієнтованих щодо основних напруг таким чином, що кордони зерен (слабкі місця у жароміцних сплавів) виявляються ненавантаженими. Спрямована кристалізація дозволяє збільшити в кілька разів пластичність і довговічність. Ще більш прогресивним методом створення ортотротопних К. м. Є отримання монокристальних деталей з певною кристаллографической орієнтацією щодо діючих напружень. Досить ефективно використовуються методи орієнтації в неметалічних констр. матеріалах. Так орієнтація лінійних полімерних макромолекул полімерних матеріалів (орієнтація стекол з поліметилметакрилату) значно підвищує їх міцність, в'язкість і довговічність.

При синтезі композиційних матеріалів, створенні сплавів і матеріалів з орієнтованою структурою використовуються досягнення матеріалознавства.

Конструкційні матеріали - стали, сплави, чавуни, кольорові метали, їх сплави і т.д. - призначені для виготовлення деталей машин, приладів, інженерних споруд і т.д. В ході експлуатації вони піддаються різним механічних навантажень, впливу низьких і високих температур, агресивних середовищ, працюють при статистичних, ударних і циклічних навантаженнях. Тому різні стандартні випробування, при яких визначають межу текучості, тимчасовий опір, відносне подовження, відносне звуження, ударну в'язкість, твердість і т.д. не дозволяють судити про поведінку даного матеріалу в реальних умовах експлуатації, не характеризують їх працездатності, міцності в конкретних конструкціях, тобто не визначають їх конструкційної міцності.

Конструкційна міцність матеріалів являє собою комплекс механічних, жароміцних, корозійностійких і ін. Властивостей, що забезпечують надійну і тривалу їх працездатність в конкретних умовах експлуатації. Отже, констр. міцність матеріалів - це комплексна характеристика, що включає поєднання таких критеріїв, як міцність, надійність, довговічність. Ці критерії повинні найбільш повно характеризувати працездатність даної деталі при її експлуатації.

Для оцінки конструкційної міцності металів необхідно вибрати комплекс тих міцності та інших параметрів, які повинні знаходитися в найбільшому відповідно до експлуатаційними властивостями деталей машин і конструкцій. Особливість визначення конструкційної міцності металів полягає в тому, що кри-терії її оцінки відносяться до даного матеріалу, обраного для виготовлення виробів певного призначення, які будуть працювати в конкретних силових, температурних та інших умов.

Критерії міцності металу вибирають в залежності від умов його роботи. Якщо робота має бути в умовах стати-чеський навантаження, то критерієм міцності є межа ті-кучесті, тимчасовий опір або твердість НВ; якщо деталь випробовує тривалі циклічні навантаження, то критерієм міцності є межа витривалості. За величиною обраних критеріїв міцності розраховують допустимі робочі напруги в умовах експлуатації.

Критерій надійності характеризує здатність металу протистояти крихкому руйнуванню, що викликає раптову відмову деталі в умовах експлуатації (наприклад, руйнування ферм мостів, трубопроводів і т. Д.). У цьому випадку критерієм надійності служать показники відносного подовження, відносного звуження, ударної в'язкості KCU з урахуванням масштабного фактора, температурних умов, динамічних навантажень, концентраторів напружень (надрізів) і т. Д.

Нарешті, критерій довговічності характеризує властивість металу чинити опір поступового накопичення поврежде-ний і руйнування деталі з огляду на розвитку процесів втоми в умовах знакозмінних навантажень (і з'являються знакозмінних напружень від мах до min протягом певного періоду часу), зношування і корозії деталей, повзучості при службі в умовах високих температур і на-напружень та ін. у багатьох випадках довговічність деталей або конструкцій визначається головним чином опором металу втомним разруше данням при циклічних навантаженнях і зношуванням при терті.

Висока конструкційна міцність деталей досягається насамперед металургійними і технологічними методами, до яких відносять легування, термічну, хіміко-термічну, термомеханічну і інші види обробок металу.

На конструкційну міцність металів надає впливав-ня також щільність дислокації (дефектів кристалічної будови). Ідеальні кристали без дефектів ( «вуса») мають міцність, близьку до теоретичної, яка на два-три по-рядка більше технічної міцності металевих матеріалів після їх відпалу. Дислокації служать місцем концентрації-ції напруг і зміцнюють метал. При значному збіль-личен щільності дислокації і зменшенні їх рухливості (блокування дислокації) технічна міцність, металу в порівнянні з відпаленим станом збільшується.

Для підвищення технічної міцності металів застосовують збільшення щільності дислокації шляхом легування (впровадженням-ня в решітку даного металу чужорідних атомів і ство-ня спотворення кристалічної решітки металу-матриці. Перешкоджає вільному переміщенню дислокації), ме-ханических наклепу, подрібнення зерен, термічній і термо- механічної обробки і т. д. Так, при наклеп шляхом холод-ної пластичної деформації металу щільність дислокацій досягає 10 11. 10 12 см -2. що значно підвищує його ін-ність.