Методы повышения конструкционной прочности

Наибольшую эффективность имеют технологические и металлургические методы, цель которых – повышение механических свойств и качества материала.

К методам упрочнения относятся: легирование, пластическая деформация, термическая, термомеханическая, химико-термическая обработки. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов:

1) увеличение плотности дислокаций,

2) создание дислокационных барьеров в виде зерен, субзерен (измельчение зерна),

3) Образование полей упругих напряжений, искажающих кристаллическую решетку (точечные дефекты – вакансии, примесные атомы, легирующие элементы).

Обеспечению надежности (сопротивление хрупкому разрушению) способствуют легирование, измельчение зерна, повышение металлургического качества металла. Повышение металлургического качества связано с повышением чистоты металла (удалением вредных примесей – серы, фосфора, кислорода, водорода, азота, оксидов, сульфидов).

Для повышения циклической прочности и износостойкости упрочняют поверхность поверхностной закалкой, химико-термической обработкой, поверхностным пластическим деформированием.

Принципиально иной способ достижения высокой конструкционной прочности использован в композиционных материалах. Они представляют собой композицию из мягкой матрицы и высокопрочных волокон. Волокна армируют матрицу и воспринимают всю нагрузку. Матрица нагружена слабо, и служит для передачи и распределения нагрузки между волокнами. Образовавшаяся трещина из-за разрушения волокна «вязнет» в мягкой матрице. Композиционные материалы, использующие высокопрочные и высокомодульные волокна и мягкую матрицу, могут обладать высокими удельными прочностью и жесткостью.

 

Классификация конструкционных материалов

1. Материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность

2. Материалы с особыми технологическими свойствами

3. Износостойкие материалы

4. Материалы с высокими упругими свойствами

5. Материалы с малой плотностью

6. Материалы с высокой удельной прочностью

7. Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды.

Классификация конструкционных сталей

По химическому составу стали разделяют на углеродистые и легированные. Обе группы могут быть низкоуглеродистыми (<0,3% С), среднеуглеродистыми (0,3-0,7% С) и высокоуглеродистыми. Легированные стали могут быть хромистыми, марганцовистыми, хромоникелевыми, марганцевыми и др. Все они могут быть низко- (5%), средне- (5-10%) высоколегированными (>10%).

По качеству разделяют стали на:

• Обыкновенного качества (0,05% серы, 0,04% фосфора)
• Качественные (<0,04% серы, 0,035% фосфора)
• Высококачественные (<0,025% серы, 0,025% фосфора)
• Особовысококачественные (<0,015% серы, 0,025% фосфора).

На качество стали оказывают влияние однородность химического состава, строения и свойств, содержание газов.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали бывают: спокойные (раскисляют Mn, Si, Al), полуспокойные, кипящие (раскисляют Mn).

По структуре стали подразделяют на:

• Доэвтектоидные (с избыточным ферритом)
• Эвтектоидные (перлит)
• Аустенитные
• Ферритные.

По назначению:

• Машиностроительные
• Строительные.

Углеродистые стали

ГОСТ 380-94 регламентирует химический состав, степень раскисления при выплавке.

Углеродистые стали обыкновенного качества маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (0-6). Степень раскисления обозначают добавлением букв «сп», «пс», «кп». Концентрация углерода для всех сталей, кроме Ст0 равна 0,07*№марки. Т.е. в стали Ст3 содержание углерода ≈0,07*3≈0,21%.

Углеродистые качественные стали маркируют двузначными числами: 08, 10, 15, 20….(ГОСТ 1050-88), обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10% С и т.д. Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами «пс», «кп».

Легированные стали

Легированные стали по ГОСТ 4543-71 маркируют сочетанием из букв и цифр, обозначающих химический состав: Хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, ниобий – Б, вольфрам – В, ванадий – Ф, титан – Т, алюминий – Ю, медь – Д, бор – Р, кобальт – К, азот - А. Число, стоящее после буквы указывает на примерное содержание легирующего элемента в %. Если число отсутствует – то легирующего элемента меньше или около 1%. Число в начале марки – содержание углерода в сотых долях процента. Буква А в конце марки означает, что сталь – высококачественная, особовысококачественные стали имеют на конце букву Ш. Если в конце марки стоит буква Л, это означает, что сталь предназначена для изготовления деталей литьем (литейная сталь, например, 15Х25ТЛ).

 

Износостойкие материалы

 

Износостойкость – свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию.

Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения.

Результат изнашивания называется износом. Его определяют по изменению размеров, уменьшению объема или массы.

Существуют различные виды изнашивания: абразивное, адгезионное, гидро- и газоабразивное, эрозионное, гидро- и газоэрозионное, кавитационное, усталостное, фреттинг-процесс (при механическом способе воздействия), окислительное, фреттинг-коррозия (при коррозионно-механическом воздействии).

Детали, подвергающиеся изнашиванию подразделяют на две группы: 1 – образующие пары трения, 2 – изнашивание которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ…).