10 КОНСТРУКЦІЙНА МІЦНІСТЬ І МЕТОДИ ЇЇ ПІДВИЩЕННЯ 10.1 Конструкційна міцність. Критерії її оцінки
Високі зміцнювальні характеристики самі по собі ще не є достатнім показником якості матеріалу і його придатності для тієї або іншої конструкції. Для забезпечення працездатності матеріалу необхідне поєднання досить високих показників міцності, пластичності, ударної в'язкості, в'язкості руйнування, низького значення Ткр. У зв'язку з цим у сучасній техніці разом із показниками міцності, одержаними при стандартних випробуваннях зразків, які є ха-рактеристикою так званої загальної міцності матеріалу, використовують таке поняття, як конструкційна міцність, під якою розуміють комплекс показників, що визначають працездатність матеріалу в конкретній конструкції за даних умов експлуатації. Конструкційна міцність – це складне поняття, що вміщує як характеристики самого матеріалу, так і надійність і довговічність його роботи в реальній конструкції.
Комплекс показників, що входять до поняття «конструкційна міцність», може бути подані таким чином:
Велику допомогу при виборі критеріїв оцінки конструкційної міцності надають вивчення видів експлуатаційних руйнувань і зносу, систематичний статистичний облік відносної кількості різних відмов виробів у експлуатації. За наявності повної класифікації пошкоджень в експлуатації та отриманні на її основі інформації про основні, найчастіші причини виходу виробів з ладу можна з великою упевненістю вибрати ті види механічних випробувань, які якнайповніше відтворюють основні типи експлуатаційних руйнувань і, отже, можуть характеризувати конструктивну міцність матеріалу.
Численні критерії, що використовуються для оцінки конструктивної міцності сталі, базуються на визначенні властивостей металевих матеріалів. Оскільки металеві матеріали є одним із видів продукції, то при визначенні цих критеріїв потрібно виходити із загальних положень теорії надійності та якості продукції. Поняття продукції є узагальненим для виробів і продуктів. Виріб – одиниця промислової продукції, кількість якої може обчислюватися дискретною величиною: у примірниках, штуках і т. д. Продукт – одиниця промислової продукції, кількість якої вимірюється безперервною величиною, обчислюваною в кілограмах, метрах і т. п. Таким чином, металеві матеріали належать до продуктів, а деталі, вузли, машини і прилади, виготовлені з них, – до виробів. Такі поняття, як властивість продукції (об'єктивна особливість продукції, що виявляється під час її створення, експлуатації або споживання) і якість продукції (сукупність властивостей продукції, що обумовлюють її придатність задовольняти певні потреби), належать і до продуктів, і до виробів. Такі поняття, як надійність, довговічність, відмова, напрацювання і ресурс, належать у теорії надійності тільки до виробів. Оскільки в металознавчій літературі часто використовують ці терміни у довільному тлумаченні, то необхідно знати визначення відповідно до ГОСТу.
Надійність – це властивість виробу виконувати задані функції, зберігаючи свої експлуатаційні показники в заданих межах протягом необхідного проміжку часу або необхідного напрацювання. Надійність виробу обумовлюється його безвідмовністю, ремонтопридатністю, збереженістю, а також довговічністю його частин.
Довговічність – це властивість виробу зберігати працездатність до граничного стану з необхідними перервами для технічного обслуговування і ремонтів. Граничний стан виробів визначається неможливістю його подальшої експлуатації з різних причин, обумовлених технічною документацією. З досягненням граничного стану виробу пов'язане і поняття відмови – події, що полягає у порушенні працездатності, ознаки якої також обумовлюються технічною документацією.
Показниками довговічності виробів служать напрацювання, ресурс і термін служби. Термін служби – календарна тривалість експлуатації виробу до моменту виникнення граничного стану (до ремонту, або списання), а напрацювання – тривалість або обсяг роботи виробу, вимірювані в будь-яких одиницях (кілометрах, циклах, кубометрах, тоннах, гектарах і т. д.). Ресурс – це напрацювання виробу до граничного стану, обумовленого в технічній документації.
Усі показники надійності виробів є ймовірністю і тісно пов'язані один з іншим. Надійність виробу може бути оцінена як імовірність безвідмовної роботи, тобто ймовірність того, що в заданому інтервалі часу або в межах заданого напрацювання не виникає відмови виробу. Наприклад, надійність шестерні коробки передач може бути оцінена таким чином: імовірність безвідмовної роботи шестерні після пробігу (напрацювання) 300000 км дорівнює 0,9. Це свідчить про те, що в процесі пробігу 300000 км у середньому 10% цих шестерень вийде з ладу через знос, контактні пошкодження або зломи зубів. Довговічність цих самих шестерень може бути охарактеризована таким чином: 90% ресурс шестерні дорівнює 300000 км.
Надійність виробів із металевих матеріалів визначається, з одного боку, властивостями самих виробів (конструктивними факторами, якістю збирання, зварювання, виготовлення, обслуговування і т. д.) з іншого боку – властивостями матеріалу. Властивості матеріалів чинять вирішальний вплив на надійність виробів.
Такі складні властивості продукції, як надійність, довговічність, набувають особливого змісту, коли вони належать до металевих матеріалів. Визначення числових значень показників надійності виробів (імовірність безвідмовної роботи, середнього напрацювання, інтенсивності відмов) базується на збиранні й статистичній обробці інформації про потік кількості виробів у процесі експлуатації. Для металевих матеріалів такі показники, як надійність, довговічність, оцінюються до виготовлення з матеріалів яких-небудь виробів, на основі результатів лабораторних випробувань. Тому доцільно ввести поняття надійність, довговічність металевих матеріалів як продуктів з урахуванням характеру експлуатаційних відмов виробів, виготовлених із цих матеріалів.
Усі експлуатаційні відмови можуть бути розділені на поступові й раптові. Поступові відмови – це відмови, при настанні яких вироби замінюються без загрози будь-яких аварійних наслідків. До поступових відмов належать різноманітні види зносу, корозійні й втомні пошкодження. Втомні руйнування можуть мати аварійні наслідки і виявлятися під час експлуатації як раптові тільки в тому разі, якщо не розроблена система контролю і дефектоскопію-вання, яка повинна забезпечити надійне виявлення всіх виниклих втомних тріщин на тій стадії їх розвитку, на якій втомна тріщина не досягла критичного розміру і не призвела до раптового руйнування. Те саме стосується до руйнувань деталей, що працюють в умовах повзучості.
До раптових відмов металевих виробів в експлуатації відносять крихкі руйнування, які відбуваються при напру-женнях, менших від розрахункових, визначених по межі текучості. Ймовірність крихких руйнувань, що виникають раптово і не піддаються якому-небудь прогнозуванню, контролю і попередньому дефектоскопіюванню, різко збільшуються зі зниженням температури експлуатації, підвищенням швидкості навантаження і наявністю в металевих виробах концентраторів напружень (дефектів металургійного або експлуатаційного походження, а також особливості конструкцій деталі). Крихкі руйнування різних деталей і конструкцій часто спричиняють аварійні наслідки і повинні бути виключені шляхом застосування матеріалів, що володіють достатньо високим опором крихкому руйнуванню. У зв'язку з цим поняття надійності металевих матеріалів доцільно розглядати як стійкість проти раптових відмов (крихкого руйнування).
Рисунок 10.1 – Класифікація критеріїв, використовуваних для оцінки конструктивної міцності сталі
Критерії, що використовуються для оцінки конструктивної міцності металевих матеріалів, можна розділити на дві групи (рис. 10.1). До першої відносять ті властивості металевих матеріалів, які чинять вирішальний вплив на довговічність виробів (втомна міцність, витривалість, зносостійкість і т. д.), до другої – властивості, що визначають надійність металевих матеріалів проти раптових руйнувань (в'язкість руйнування, робота, поглинальна при поширенні тріщини, живучість та ін.).
