Конструкційних матеріалів - студопедія

Загальні вимоги, що пред'являються до

СТАЛИ І СПЛАВИ ЧОРНИХ МЕТАЛІВ

Конструкційними називають сталі і сплави, що застосовуються для виготовлення деталей машин, конструкцій і споруд. Це - один з найбільш широко використовуваних і відрізняється різноманітністю властивостей клас матеріалів.

Такі матеріали повинні володіти високими експлуатаційними властивостями, гарною технологічністю, економічністю і бути недефіцитних.

Для забезпечення надійних експлуатаційних властивостей вони повинні мати високу конструкційної міцністю.

Конструкційна міцність (міцність матеріалу в конструкції) - це комплекс властивостей, що забезпечує тривалу і надійну роботу виробу в конкретних умовах експлуатації. Отже, конструкційна міцність визначається не тільки властивостями самого матеріалу, але також і умовами його навантаження (статичні, циклічні або ударно-циклічні навантаження), температурної областю експлуатації виробу, середовищем, в якій виробу належить працювати (рідкої, газоподібної, високоагресивних тощо .).

Зокрема, при виборі конструкційних матеріалів для деталей апаратів харчового машинобудування, крім загальних вимог, що пред'являються до механічної міцності, технологічності, основними є висока корозійна стійкість при тривалій дії харчових середовищ в умовах підвищених температур і тисків, а також миючих і дезінфікуючих засобів. Ще одним обов'язковим вимогою є необхідність врахування токсичності матеріалів і продуктів їх корозії при контакті з харчовими сере-дами, і дозвіл МОЗ України на їх застосування.

Конструкційна міцність об'єднує такі поня-буття як міцність (опір матеріалу пластичний-ської деформації), надійність (опір крихко-му руйнування) і довговічність (опір матеріалу поступового руйнування, його здатність забезпечити роботу виробів протягом заданого ча-мени).

Залежно від конкретних умов експлуатації виробів, в комплексі характеристик, що входять в поня-тя конструкційної міцності, превалюють ті чи інші поєднання властивостей.

Так, наприклад, якщо вироби працюють в умовах високих температур, то основні вимоги пред'являються до їх жароміцності і жаро- стійкості, а при експлуатації їх при низьких температу-рах критичною є хладноломкость. При статічес-ких навантаженнях критеріями міцності служать межі плинності s0,2 і тимчасовий опір sв.

Отже, при оцінці конструкційної міцно-сті необхідно застосовувати ті критерії, які наибо-леї повно відображають властивості міцності в умовах експлуатації. Тому інженеру потрібно добре ос-воить теоретичні основи методів впливу на міцність і пластичні властивості матеріалів, ізло-женние в попередніх розділах.

Оцінка надійності матеріалу є найважливішим етапом проектування, оскільки крихке руйнування виробів призводить до небезпечних аварійним наслідків. Як характеристик, що визначають надійність конструкційних матеріалів, служать показники пла-стичностью (d і y) і ударної в'язкості КС. Але, до сожале-нию, ці показники, виміряні на лабораторних об-зразках, досить правильно відображають поведінку в експлуатації виробів, виготовлених з матеріалів з невисокою міцністю. При використанні ж більш міцних і відповідно менше пластичних матеріалів, зазначених характеристик для оцінки конструкційної міцності виявляється недостатньо і потрібно враховувати-вать опір крихкому руйнуванню - хладнолом-кістка і тріщиностійкість матеріалів, а саме такі параметри, як Т50 (температуру, при якій злам зразків на 50% є в'язким) і параметр в'язкості руйнування К1с. На відміну від параметра хладноломкости, параметр К1с може бути використаний в розрахунках кон-струкціонной міцності виробів з високоміцних ма-ріалів, так як він дозволяє оцінювати допустимі напруги при відомих розмірах тріщин, або, наобо-рот, допустимий розмір тріщин при даному рівні при- викладених напружень. Чим вище коефіцієнт К1с, тим надійніше матеріал щодо опору крихко-му руйнування.

Довговічність конструкцій і виробів залежить від ус-ловий їх експлуатації і характеризується такими пара-метрами, як опір повзучості, втоми і через носі.

Але слід зазначити, що в багатьох випадках при оціню-ке конструкційної міцності можна поки дати тільки загальні рекомендації по вибору комплексу властивостей. На-надійно передбачити поведінку металу в тій чи іншій конструкції на основі простої лабораторних випробу-ний механічних властивостей важко. Тому оцінку конструкційної міцності проводять на основа-нии результатів натурних і стендових випробувань. Це досить дорога операція, проте поки вона є необхідною, особливо при проектуванні відповідальний-них деталей і конструкцій.

У зв'язку зі зростаючими вимогами до зниження металоємності конструкцій, ростуть і вимоги до по-підвищенню конструкційної міцності.

Для її підвищення використовують Металознавчі, тих-технологічного та конструкторські методи. Матеріалознавчі методи спрямовані на створення матеріалів з найбільш сприятливим поєднанням міцності і пластичних характеристик. Природа високої міцно-сті (високого опору руху дислокацій) була розглянута в гл. 3, Частина I. Для підвищення міцності застосовують легування, не тільки підвищує ін-ність міжатомних зв'язків, а й міняє фазовий со-ставши. Сполучення високої міцності з пластичністю до-Біван суміщенням методів пластичної деформації-ції з термічною обробкою (методи ТМО).

З числа технологічних прийомів, спрямованих на підвищення конструкційної міцності, слід відзначити її еконо-тить металургійні способи підвищення якості ме-талію (зниження вмісту шкідливих домішок, Немі-левих включень і ін.). Для цього використовують різні сучасні методи електрошлаковий переплав (ЕШП), електронно-променевої (ЕЛП), і вакуумно-дугового (ВДП).

Для підвищення зносостійкості і втомної дол-говечності використовують різні методи зміцнення поверхні (поверхневий наклеп, здійснюваний обдування дробом, обкаткою роликами, ультразвукову обробку, хіміко-термічну, лазерну термічну загартування і іонну імплантацію).

Якщо в конструкції не можна уникнути глибоких кана-вок і надрізів, то їх піддають локальної обробці, що знижує рівень напружень, зокрема лазерної.

В останні десятиліття все ширше використовують компо-позитний матеріали, що поєднують легку пластичну матрицю з жорсткими армирующими волокнами або годину-тіцамі.

Слід зазначити, що з безлічі конструкційних матеріалів, стали, титанові і алюмінієві сплави забезпечують критерії надійності і довговічності через робів в досить широкому діапазоні вимог і яв-ляють в деякому роді універсальними.

1.2. Конструкційні стали загального призначення

Незважаючи на значно меншу частку виробництв-ва легованих сталей, їх роль в машинобудуванні весь-ма велика і визначається впливом легуючих елементів на їх властивості та структурні складові.

Відомості про вплив легуючих елементів на кон-струкціонную міцність необхідні інженеру для обо-тованого вибору марок сталі.

Більшість легуючих елементів (за исключени третьому нікелю) при їх утриманні> 1% знижують ударну в'язкість сталі. Крім прямого зміцнюючого воздейст-вия, такі елементи, як хром, молібден, нікель і бор, підвищують прокаліваемость, і тому часто проводять комплексне легування (Cr + Mn), (Cr + Mo), (Cr + Ni) (рис. 1) . При цьому слід враховувати, що марганець сприяє зростанню зерна і підвищує поріг хладнолом-кістки. Тому легування марганцем доповнюють легованої-вання титаном, бором, ванадієм та іншими елемента-ми, измельчающими зерно. Для зниження порогу хлад-ноломкості використовують нікель і молібден, а молібден і вольфрам вводять так само і для зменшення схильності стали до відпускної крихкості. Кремній значно підвищує міцнісні властивості, але одночасно підвищує також порігхладноломкості, тому його утримуючи-ня зазвичай не перевищує 2%.