4.3. Конструкционная прочность металлов и сплавов
Конструкционная прочность металлов и сплавов – это комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия.
Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкции.
Переход к хрупкому разрушению обусловлен рядом факторов:
-
природой сплава (типом решетки, химическим составом, величиной зерна, загрязнением сплава);
-
особенностью конструкции (наличием концентраторов напряжений);
-
условиями эксплуатации (температурным режимом, наличием нагрузки на металл).
Существует несколько критериев оценки конструкционной прочности металлов и сплавов:
-
критерии, определяющие надежность металлов против внезапных разрушений (критическая температура хрупкости; вязкость разрушения; работа, поглощаемая при распространении трещины; живучесть при циклическом нагружении);
-
критерии, определяющие долговечность материала (усталостная прочность; контактная выносливость; износостойкость; коррозионная стойкость).
Для оценки надежности материала используют также параметры: 1) ударную вязкость KCV и КCT; 2) температурный порог хладноломкости t 50. Однако эти параметры только качественные, непригодные для расчета на прочность.
Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.
Параметр KCT, 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 KCT = 0, то это означает, что процесс его разрушения идет без затраты работы. Такой материал хрупок, эксплуатационно ненадежен. И, наоборот, чем больше параметр KCT, определенный при рабочей температуре, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации. KCT 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.
На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис.4.12), наблюдаемое в интервале температур (tв – tх) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения).
Рис. 4.12. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCV, KCT
Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t tв) до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (t tх). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tв – tн) либо одной температурой t50, при которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается наполовину.
О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t 50. 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.