Конструкционная прочность. Металлургические, технологические, конструкторские способы повышения конструкционной прочности

Конструкционные материалы. Предназначены для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам. Конструкционная прочность комплексная хар-ка, включающая сочетание критериев прочности, жесткости, надежности и долговечности. Критерии прочности материала:

1) Прочностные хар-ки: временное сопротивление (о;), предел текучести С о"₀₂) ₅ предел выносливости

2) Упругие хар-ки: модули упругости Е и G

Надежность свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя

эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или

сопротивление материала хрупкому разрушению.

Долговечность способность детали сохранять работоспособность до определенного

состояния.

Характеристики надежности и долговечности:

1) Пластичность 5, \|/, ударная вязкость KCU, KCV, вязкость разрушения, порог
хладноломкости,

2) Циклическая долговечность, скорость изнашивания, ползучести, коррозии.
Способы повышения прочности:

Металлургические, технологические, конструкционные.

Металлургические - повышение чистоты Me, удаление вредных примесей (S, Р,

газообр. эл-тов - О, Н, N, оксидов, сульфидов) - переплав, рафинирование и др.

Методы упрочнения: легирование, пластическая деформация, термическая,

термомеханическая и химико-термическая обработка.

Легирование - карбидообр. эл-ты (Ni, V, Mo, Сг) образуют карбиды при выплавке,

задерживают рост зерна при нагреве под закалку в аустените, влияют на мартенсит при

высоком отпуске: 1) Задерживают выделение цементита, 2) затрудняют распад

мартенсита. Некарбидообр. эл-ты (Si, Ni, Mn, Al, Си) замедляют диффузию.

Все лег. эл-ты в феррите обазуют твердорастворное упрочнение по типу замещения,

атомы внедрения (С, О, Н, N) скапливаются на дислокациях и блокируют их.

Закалка+старение - дисп. частицы вторичной фазы создают сильное торможение

дислокаций. Дислокации, перемещаясь в пл-ти скольжения, должны перерезать либо

огибать частицы.

Поверхностное упрочнение - осн метод повышения тв-ти слоя и препятствующий

зарождению пов трещин. (ППД, цементация, нитроцемент, азотир, закалка ТВЧ).

Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряженных деталей. При их проектировании избегают резких перепадов жесткости, глубоких канавок и других конструктивных надрезов.

Билет4

Диаграмма состояния двойных сплавов с ограниченной переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Термическая обработка сплавов этой диаграммы: отжиг, закалка, старение.

Предельная концентрация компонента А в фазе определяется линией FQ, и эта

концентрация не изменяется. Максимальное содержание компонента В в -фазе

определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки Р. Из всех сплавов выделяют сплав III, который называется эвтектическим (наиболее легкоплавкий). Он кристаллизуется с выделением одновременно двух твердых фаз определенной концентрации: твердого раствора состава точки Е и твердого раствора

состава точки F. В результате образуется смесь двух фаз, которую называют

эвтектикой.

Термическая обработка - технологические процессы, состоящие из нагрева и

охлаждения металлических изделий и целью изменения их структуры и свойств.

Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают

структуру, близкую к равновесной.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется

неравновесная структура.

Отпуск и старение - термические обработки, в результате которых в предварительно

закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к

равновесной.

Легированные низкоуглеродистые и среднеуглеродистые конструкционные стали. Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей, маркировка, упрочняющая обработка, применение.

Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности сталей. Первостепенное назначение легирования - обеспечение необходимой прокаливаемости. Прокаливаемость стали определяется ее химическим составом. Все легирующие элементы, кроме кобальта, повышают устойчивость переохлажденного аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для легирования обычно используют Mo, Mn, Cr, Si, Ni, V и микродобавки. Влияние л.э. на механические свойства стали зависит от ее структурного состояния, которое определяется термической обработкой.

1. После закалки на мартенсит и низкого отпуска свойства легированной стали определяются концентрацией углерода в мартенсите.

2. После закалки и высокого отпуска (улучшения) структура стали представляет собой сорбит - ферритно-карбидную смесь с зернистой формой карбидной фазы. Высокие механические свойства сорбита обусловлены влиянием л.э. на прочность феррита, а так же дисперсность и количество карбидной фазы.

Низкоуглеродистые легированные стали (0Л-0,3%С) используют в состоянии

наибольшего упрочнения, т.е. после закалки и низкого отпуска со структурой

низкоуглеродистого мартенсита или бейнита. Повышенные прочностные свойства

сочетаются у них с хорошей пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к

надрезам и высоким сопротивлением развитию вязкой трещины.

Хромистые стали 15Х, 20Х образуют группу дешевых сталей нормальной прочности.

Закаливают в масле на структуру троостита или бейнита.

Среднеуглеродистые легированные стали (0,3-0,5%С) приобретают высокие

механические свойства после термического улучшения - закалки и высокого отпуска

(500-650°С) на структуру сорбита. Улучшение этих сталей обеспечивает повышенный

предел текучести и сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким

сопротивлением развитию трещины.

Хромистые стали 40Х, 45Х, 50Х относятся к дешевым конструкционным материалам. С

увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность и

вязкость, повышается порог хладноломкости.

Хромникельмарганцеве стали ЗОХГСА, 35ХГСА содержат по 1% Cr, Мп и Si и

называются хромансилями. Это достаточно технологичные стали, нашли широкое

применение в автомобилестроении.

Хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН, 50ХН обеспечивают высокий комплекс

механических свойств в деталях сечением 40-50 мм. Из-за присутствия никеля эти

стали, в отличие от хромистых, имеют более высокий температурный запас вязкости и

меньшую склонность к хрупкому разрушению.

Хромникельмолибденовые стали 40ХН2МА, 38ХНЗМА, 38ХНЗМФА, 18Х2Н4МА

относятся к глубокопрокаливаемым сталям. Относятся к мартенситному классу,

закаливаются на воздухе, мало склонны к хрупкому разрушению, применяются при

температурах до 300-400°С. Недостатки: высокая стоимость, плохо обрабатываются.

Билет5