Материалы, применяемые в машиностроении. II часть

Модули
I
II
III
IV
1-ая часть курса
0...25 баллов 0...25баллов
= Оц1 =Оц2
(0-14 – «2»; 15-17 – «3»; 18-20 – «4»; 21-25 – «5»)
Если:
«2» – незачёт+данные модули выносятся на экзамен;
от «3» до «5» – зачёт+данные модули не выносятся на экзамен.
Лабораторный практикум
4 раза х 2 л/р= 8 л/р (выполнение+защита)
Домашнее задание (выполнение+защита)
0...20 баллов
<12 баллов – незачёт по лабораторному практикуму
(0-11 – «2»; 12-13 – «3»; 14-16 – «4»; 17-20 – «5»)
Экзамен
по II части курса
0...30 баллов
0...20 + 0...30 = 0...50 баллов = Оц3
(0-29 – «2»; 30-33 – «3»; 34-41 – «4»; 42-50 – «5»)
Если:
«2» – незачёт по II части курса => экзамен на пересдачу;
от «3» до «5» – зачёт по II части курса.
Итог по экзамену (при успешной сдаче всего перечисленного)
Оценка за экзамен = ( Оц1 + Оц2 + Оц3 ) / 3
(0-17 – «2»; 18-20– «3»; 21-25 – «4»; 26-30 – «5»)

Глава I «Конструкционная прочность материалов»
Конструкционная прочность (КП) – комплексная характеристика, включающая в себя несколько критериев и показывающая способность материала работать надёжно и долго в конкретных условиях эксплуатации.
комплексная характеристика
работоспособность
(может ли материал вообще работать?)
надёжность
(если работает, то надёжен ли он?)
долговечность
(если работает надёжно, то как долго?)
материала в детали при конкретных условиях эксплуатации

§ 1. Критерии работоспособности материала в детали при конкретных условиях эксплуатации
Для повторения некоторых механических свойств смотри часть I главу III «Формирование структуры при ПД» § 2+3

станина станка
платформа гироскопа
силовая пружина, рессора
измерительная пружина
Итог: Критерии, по которым оценивается работоспособность материала в детали различные: по допустимым нагрузкам, по жёсткости материала (допустимым деформациям) и по его плотности.

§ 2. Критерии надёжности материала в детали при конкретных условиях эксплуатации
Надёжность материала – это свойство материала противостоять внезапному разрушению при напряжениях ниже расчётных и при аварийных ситуациях.
разрушение
хрупкое
вязкое
усталостное
может оказаться внезапным;
материал надёжен только тогда, когда он не склонен к хрупкому разрушению;
необходимо рассмотреть ситуации, когда склонность к хрупкому разрушению возрастает

Пример 1. Использование высокопрочных материалов.
Если материал высокопрочен, значит его пластичность
пониженная
Пример 2. Материал работает при динамических (ударных) нагрузках.
концентратор напряжений в форме буквы U (r=1±0,007 мм) или в форме буквы V (r=0,25±0,025 мм)
A - работа на зарождение и распространение трещины; F – площадь сечения около концентратора.

Пример 3. Работа материала при пониженных температурах
Материал при понижении температуры меняет характер разрушения с вязкого на хрупкий. Такое явление называется хладноломкостью. (т.е. сталь работает на холоде хорошо, а если ударим...)
для сталей простого состава

Пример 4. Работа материала при наличии в нём трещин и трещиноподобных (скопление дислокаций) дефектов
Трещины в металле есть
ВСЕГДА! Вопрос – опасны ли они?
Материал ответственного назначения испытывается на трещиностойкость. Трещиностойкость – это способность материала сопротивляться развитию трещин (разрушения) при: а) ударных нагрузках; б) при статических нагрузках.
а) ударные нагрузки
концентратор напряжений в форме T (трещина).
A - работа на распространение трещины; F – площадь сечения целого металла над трещиной.
а) статические нагрузки

если металл пластичен, то в вершине трещины происходит ПД, трещина затупляется и дальше не идёт

Итог: Материалы ответственного назначения всегда проверяются по критериям надёжности, которые различны. Но суть одна: материал более надёжен, если он менее склонен к хрупкому разрушению.
§ 3. Критерии долговечности материала в детали при конкретных условиях эксплуатации
Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность детали в течение заданного времени (ресурса). При накапливании повреждений материал преждевременно выходит из строя.

Пример 1. Постепенное повреждение при циклическом нагружении (явление усталости).
Усталость – постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящее к образованию трещин и разрушению.
Выносливость – свойство металла противостоять усталости.
рельсы
валы, рессоры

а – схема излома;
б – макроструктура излома
Зоны: 1 – очаг разрушения (зарождение трещины, как правило, у концентратора);
2 – зона распространения трещины;
3 – зона долома.
а) Концентратор может ускорить разрушение. Это нужно учитывать. Материал необходимо подбирать по чувствительности к концентраторам напряжений.
б) Металл может долго работать с трещиной
Ресурс работы детали можно определить по критериям, приведённым выше, при этом при подборе материала можно учесть все особенности детали.

Зоны: I – участок приработки (параболическое возрастание скорости изнашивания);
II – зона установившегося трения (уменьшение скорости изнашивания до const и удержание её такой определённое время);
III – зона задира или повреждаемости (катастрофический рост скорости изнашивания).
поверхностный подход, т.к. время может быть разное
Интенсивность изнашивания
более точная оценка

Примеры 3 (постепенное повреждение при высоких температурах и нагрузках, т.е. при ползучести), 4 (постепенное повреждение в агрессивной среде, т.е. при коррозии) будут рассмотрены в главе V.
Вывод: Критерии КП помогают для конкретной детали в конкретных условиях работы правильно подобрать материал.
§ 4. Пути повышения характеристик КП
Создание структуры, в которой перемещение дислокаций затруднено
1 – количество дислокаций ? 0;
2 – количество дислокаций ? max;
3 – создание твёрдых растворов;
4 – создание мелких зёрен;
5 – создание дисперсных частиц.
Путь 3+4+2 – в
мартенсите (прочность – max, а надёжность – ноль)
При повышении прочностных свойств необходимо использовать способы 4 или 5 (а лучше сразу и 4 и 5 одновременно), при этих способах не происходит резкого ухудшения свойств надёжности (дислокации имеют хотя бы минимальную «подвижность»)

1 – уменьшение содержания вредных примесей (у стали S, P, As, Sb), т.к. примеси осаждаются на границах зёрен при кристаллизации и ухудшают «сцепление» зёрен.
при выплавке
чистая шихта
специальные переплавы
вакуумно-дуговой переплав (ВДП)
электро-шлаковый переплав (ЭШП)
электро-лучевой переплав (ЭЛП)
Чем чище металл от примесей, тем характеристики надёжности выше и он ДОРОЖЕ !
2 – измельчение зерна
! ЧЕМ МЕЛЬЧЕ ЗЕРНО, ТЕМ ВЫШЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЁЖНОСТИ !
чем меньше зерно, тем меньше примесей на единицу границы зёрен