загрузка...
 
10.6 Методи підвищення конструкційної працездатності деталей машин
Повернутись до змісту

10.6 Методи підвищення конструкційної працездатності деталей машин

Висока міцність і довговічність конструкцій при мінімальній масі й найбільшій надійності досягаються технологічними, металургійними та конструкторськими методами.

Найбільшу ефективність мають технологічні й металургійні методи, мета яких – підвищення механічних властивостей і якості матеріалу.

З механічних властивостей найважливіші – міцність матеріалу, підвищення якої при достатньому запасі пластичності й в'язкості приводить до зниження матеріаломісткості конструкції і до певної міри до підвищення її надійності та довговічності.

Як уже наголошувалося, рівень міцності (опір пластичної деформації) залежить головним чином від легкості переміщення дислокацій. У зв'язку з цим сучасні методи підвищення міцності матеріалу базуються на створенні такого структурного стану, який забезпечував би максимальну затримку (блокування) дислокацій. До методів зміцнення належать легування, пластична деформація, термічна, термомеханічна і хіміко-термічна обробки. Підвищення міцності методами зміцнення грунтується на ряді структурних факторів.

1. Збільшення щільності дислокацій. Силові поля навколо дислокацій є ефективними бар'єрами для інших близько розміщених дислокацій. У зв'язку з цим чим більша щільність дислокацій, тим вищий опір пластичній деформації. Теорія дислокацій дає таку залежність між межею текучості ?т і щільністю дислокацій ?:

,

де ?0 – межа текучості до зміцнення; ? – коефіцієнт, що враховує внесок інших механізмів гальмування дислокацій; b – вектор Бюргерса; G – модуль зрушення.

Доцільно   збільшувати   щільність   дислокацій  до 1012 см-2. При більшому значенні через нерівномірний розподіл структурних дефектів окремі об'єми матеріалу пересичуються дислокаціями. Це викликає порушення суцільності у вигляді субмікроскопічних тріщин і зниження міцності.

2. Створення бар'єрів дислокацій у вигляді меж зерен, субзерен, дисперсних частинок вторинних фаз. Подібні перешкоди на шляху руху дислокацій вимагають додаткового підвищення напруження для їх просування і тим самим сприяють зміцненню.

Роль ефективного бар'єра виконують межі зерен і субзерен (блоків мозаїки). Ковзаюча дислокація вимушена зупинятися біля цих меж, оскільки в сусідніх зернах (субзернах) площина ковзання має іншу орієнтацію. Підвищення міцності при подрібненні зерна (або субзерна) описується рівнянням Хола

,

де ?0 – напруження, необхідне для руху вільної дислокації;

k – коефіцієнт, що характеризує міцність блокування дислокацій; d – діаметр зерна (субзерна).

Важлива особливість цього фактора зміцнення полягає у тому, що подрібнення зерна (збільшення протяжності їх меж) супроводжується підвищенням ударної в'язкості. Пояснюється це зменшенням розмірів зародкових тріщин і утрудненням їх розвитку. Тріщина вимушена змінювати напрям руху при переході від одного зерна до іншого; в результаті її траєкторія і опір руху збільшуються. Сильне гальмування пересуванню дислокацій створюють дисперсні частинки вторинної фази. Такий фактор зміцнення характерний для гетерогенних сплавів, підданих гартуванню і старінню. В цьому разі дислокації, переміщаючись у площині ковзання, повинні або перерізувати частинки, або їх огинати.

3. Утворення полів пружних напружень, що спотворюють кристалічні гратки. Такі поля утворюються поблизу точкових дефектів (вакансій), домішкових атомів і атомів легуючих елементів.

Зміцнення при легуванні зростає пропорційно концентрації легуючого елемента у твердому розчині й відносної різниці атомних радіусів компонентів. Атоми проникнення (С, О, Н, N) можуть вносити великий внесок у зміцнення, якщо вони скупчуються на дислокаціях і блокують їх, утворюючи сегрегації або атмосфери Котрелла.

Комбінацією різних структурних факторів зміцнення можна значно підвищити характеристики міцності (?в, ?т, НВ, ?-1). Проте міцність, що досягається, залишається все ж таки значно нижчою за теоретичну. Разом з тим підвищення міцності, що базується на зменшенні рухливості дислокацій, супроводжується зниженням пластичності, в'язкості й тим самим надійності.

Задані міцність, надійність, довговічність досягаються формуванням певного структурного   стану.  Він повинен поєднувати ефективне гальмування дислокацій з їх рівномірним розподілом в об'ємі матеріалу або, що особливо сприятливе, допускати певну рухливість дислокацій, що скупчуються біля бар'єрів. Ці вимоги виходять з того,  що  крихке руйнування ініціюють скупчення дислокацій критичної щільності, наприклад біля непроникних бар'єрів, де виникають небезпечні локальні напруження. Їх релаксація йде двома шляхами:

1) утворенням зародка крихкої тріщини;

2) проривом і естафетною передачею дислокацій у суміжні області.

Другий шлях пластичної релаксації локальних напружень можливий за наявності напівпроникних бар'єрів. Їх роль, зокрема, виконують малокутові межі – межі субзерен.

Формуванню сприятливої структури і забезпеченню надійності сприяють раціональне легування, подрібнення зерна, підвищення металургійної якості.

Раціональне легування передбачає введення у сплави декількох елементів при невисокій концентрації кожного з тим, щоб підвищити пластичність і в'язкість. Подрібнення зерна здійснюється легуванням і термічною обробкою, особливо при використанні високошвидкісних способів нагрівання – індукційного і лазерного.

Найефективніше подрібнення субструктури (блоків мозаїки) досягається при високотемпературній термомеханічній обробці (ВТМО). Вона передбачає інтенсивну пластичну деформацію аустеніту з подальшим гартуванням, при якій аустеніт, що піддався наклепуванню, перетворюється на мартенсит, з подальшим низьким відпуском. Така комбінована обробка формує структуру з високою щільністю дислокацій і достатньо рівномірним їх розподілом унаслідок сильного подрібнення кристалів мартенситу на окремі субзерна (блоки). У субструктурі, що утворюється, дислокації зв'язані в стабільні конфігурації, а субмежі відіграють роль напівпроникних бар'єрів. У результаті ВТМО забезпечує найсприятливіше поєднання високої міцності з підвищеною пластичністю, в'язкістю й опором руйнуванню.

Надійнішій роботі високонавантажених деталей сприяє також застосування термоциклічної обробки (ТЦО) конструкційних сталей. У працях Федюкіна показано, що ТЦО сприяє істотному подрібненню зерна (рис. 10.9), знижує температуру холодноламкості сталі, підвищує механічні властивості (табл. 10.2), в'язкість руйнування (К1с) і роботу зародження і розвитку тріщини при динамічних випробуваннях.

Надійній роботі деталей сприяє підвищення чистоти металу, його металургійної якості. Підвищення чистоти сталі пов'язане з видаленням шкідливих домішок – сірки, фосфору, газоподібних елементів – кисню, водню, азоту і залежних від їх вмісту неметалічних включень-оксидів, сульфідів та ін.

 

                      а                                                         б

Рисунок 10.9 – Структура сталі 45 (х100): а – після нормалізації;  б – після ТЦО

Таблиця 10.2 – Механічні властивості сталі 45 (середні показники за п'ятьма зразками)

Термообробка

Межа

текучості,

?т, МПа

Межа міцності,

?в, МПа

Відносне подов-ження,

?, %

К1с,

Н/мм3/2

азар

 

aроз

 

Н?м?см2

Нормалізація

 

316

653

23,6

670

47

15

ТЦО

 

341

589

33,0

890

50

81

Неметалічні включення, сірку і газоподібні домішки видаляють з металу у процесі переплавки. У промисловості застосовують декілька способів переплавки: вакуумно-дуговий (ВДП), електронно-променевий (ЕЛП), електрошлаковий (ЕШП), а також вакуумно-індукційну плавку (ВІ), рафінування синтетичним шлаком. При вакуумному плавленні й вакуумних переплавках метал якнайповніше очищається від розчинених газів. Сірка практично не видаляється. При рафінуванні синтетичним шлаком і ЕШП, навпаки, якнайповніше видаляється сірка.

Резервом підвищення конструкційної міцності є також подрібнення зерна поліпшуваних сталей до критичного співвідношення    (де  dп – розмір зерна перлиту; tц – розмір пластин цементиту), за рахунок використання прогресивного методу швидкісної електротермічної обробки (ШЕТО). Цей метод розроблений в Інституті металофізики і полягає у використанні короткочасних нагрівів для гартування і відпуску сталі. Швидке електронагрівання (зі швидкістю ? 103 град./с) здійснюється або прямим пропусканням струму через виріб, або в індукторі установки СВЧ. Специфічний структурний стан, створюваний у сталі при ШЕТО, характеризується дрібним рівномірним зерном аустеніту і високодисперсною феритокарбідною сумішшю, в два-три рази тоншими пластинками цементиту електровідпущеної сталі порівняно з нормалізованою. Це дає можливість підвищення міцності до 30% без зниження в'язкості або підвищення в'язкості при тій самій міцності. У працях Курдюмова Г. В. і Утевського Л. М. встановлено, що перспективним шляхом отримання високоміцних і в'язких станів у сталях є перехід до маловуглецевих або навіть взагалі до безвуглецевих композицій з легованою матрицею та інтерметалідним зміцненням, як це реалізовано, наприклад, у мартенситостаріючих сталях.

При однаковій міцності чистіший метал володіє вищим опором в'язкому руйнуванню і нижчим порогом холодноламкості.

Для підвищення циклічної міцності й зносостійкості важливо утруднити деформацію матеріалу поверхні деталей. Це досягається технологічними методами поверхневого зміцнення: поверхневим гартуванням, хіміко-термічною обробкою (азотуванням, цементацією), поверхневою пластичною деформацією (дробоструменевою обробкою, обкаткою роликами).

Конструкторські методи передбачають забезпечення рівноміцності високонавантажених деталей. При їх проектуванні уникають різких перепадів жорсткості, глибоких канавок, галтелей малого радіуса та інших конструктивних надрізів. Якщо цього уникнути не можна, то для пом'якшення концентрації напруженнь застосовують місцеве зміцнення для формування залишкових напружень стиснення.

Розглянуті вище технологічні й металургійні методи підвищення конструкційної міцності сталей і сплавів передбачають:

1) методи зміцнення, що викликають збільшення  щільності  дислокацій і зменшення їх рухливості;

2) методи забезпечення необхідного запасу пластичності й в'язкості, що передбачають більш рівномірний розподіл дислокацій, а також очищення від окрихчуючих матеріал домішок;

3) оптимізацію  процесу  зміцнення  сталі,  що полягає  в  узгодженій   зміні   міцності   (?т)   і   запасу  в'язкості (Кв = ?кр/?т), що досягається засобами термічної обробки (поліпшення) і регулюванням складу сталі (варіювання вуглецем і легуючими елементами).

Конструкційна міцність може бути підвищена шляхом використання місцевої (локальної) термічної обробки для запобігання появі початкового макроруйнування і заміряного розвитку тріщини.

Принципово інший спосіб досягнення високої конструкційної міцності використаний у композиційних матеріалах нового класу високоміцних матеріалів. Такі матеріали є композицією з м'якої матриці й високоміцних волокон. Волокна армують матрицю і сприймають усе навантаження. У цьому полягає принципова відмінність композиційних матеріалів від звичайних сплавів, зміцнених, наприклад, дисперсними частинками. У сплавах основне навантаження сприймає матриця (твердий розчин), а дисперсні частинки гальмують у ній рух дислокацій, сильно знижуючи тим самим її пластичність. У композиційних матеріалах навантаження сприймають високоміцні волокна, зв'язані між собою пластичною матрицею. Матриця навантажена слабо і служить для передачі й розподілу навантаження між волокнами. Композиційні матеріали відрізняються високим опором поширення тріщин, оскільки при її утворенні, наприклад, через руйнування волокна, тріщина «в’язне» у м'якій матриці. Крім того, композиційні матеріали, що використовують високоміцні й високомодульні волокна і легку матрицю, можуть володіти високими питомою міцністю і жорсткістю.



загрузка...