Конструкционная прочность материала и методы 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 – временное сопротивление σВ, предел текучести σ0,2 , твердость НВ (для сталей σВ=НВ/3). При циклических нагрузках - σR – предел выносливости. По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения.

Но увеличение уровня прочности (и рабочих напряжений) ведет к увеличению упругих деформаций:

εупр=σ/Е,

где Е – модуль нормальной упругости.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерий жесткости обуславливает размеры станин, станков и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Для пружин и других упругих элементов приборов от материала требуется высокий предел упругости σупр и низкий модуль упругости Е (равный тангенсу угла наклона.

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

Кроме стандартных механических характеристик σВ и σ0,2 для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности (σВ, σ0,2, Е) при рабочих температурах и в рабочих средах.

Надежность– свойство материала противостоять хрупкому разрушению.

Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно протекает при напряжениях ниже расчетных и считается наиболее опасным. Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (δ,ψ) и ударной вязкостью (КСU).

В условиях эксплуатации на материалы действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. Это – концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров детали (масштабный фактор).

В условиях эксплуатации необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость – это группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Трещины являются острыми концентраторами напряжений. Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее ее вершина.

Хрупкие материалы чрезвычайно чувствительны к надрезам. Для высокопрочных пластичных материалов реальную опасность представляют не все трещины, а только критической длины lкрит.

Оценку надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта проводят по критерию К – коэффициенту интенсивности напряжения в вершине трещины. Критерий К при достижении критического значения, когда стабильная трещина переходит в нестабильную обозначают К1С:

К1С=σср√απlКрит,

Где α – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины, σср- среднее напряжение.

К1С определяется экспериментально и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины. По этой причине критерий К1С называют вязкостью разрушения.

Чем значение К1С больше, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и его надежность.

Для оценки надежности материала используют также КСV – ударную вязкость, или КСТ – ударную вязкость на образце с усталостной трещиной; температурный порог хладноломкости t50. Чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем выше гарантия от хрупкого разрушения.

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса).

Причины постепенного разрушения – изнашивание, ползучесть, коррозия, радиационное разбухание и др.

Циклическая долговечность – характеризует сопротивление материала разрушению поверхности путем отделения его частиц под воздействием силы трения. Циклическая долговечность равна величине, обратной скорости изнашивания.

Скорость ползучести – скорость развития пластической деформации при постоянном (ниже предела текучести) напряжении.

Ограничение скорости ползучести достигается применением жаропрочных материалов.

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

1) Критерии прочности σВ, σ0,2, 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. жесткость.

3) Пластичность δ, ψ, ударная вязкость КСТ, KCV, KCU, вязкость разрушения К1С, порог хладноломкости t50, которые оценивают надежность материала в эксплуатации.

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