Конструктивная прочность
Критерии прочности материала зависят от условий его эксплуатации. При статических нагрузках критерии прочности - предел текучести и временное сопротивление, которые характеризуют сопротивление материала пластической деформации. Если в процессе эксплуатации материал подвергается циклическим нагрузкам, то критериями его прочности является предел выносливости. По перечисленным критериям рассчитываются допустимые рабочие напряжения. Чем больше прочность, тем выше допустимые рабочие напряжения. Жесткость характеризует способность материала сопротивляться пластической деформации. Именно жесткостью определяется размер станины станков, корпусов редукторов и прочих деталей, от которых требуется сохранение точных размеров в процессе эксплуатации. Чтобы ограничить упругую деформацию материал данных деталей должен обладать высоким модулем упругости, являющийся критерием жесткости. Для чувствительных упругих составляющих приборов и машин необходимо обеспечивать максимально большие упругие деформации. Для них жесткость характеризуется низким модулем упругости и высоким пределом упругости.
Надежность материала заключается в его способности сопротивляться хрупкому разрушению. Чтобы предупредить хрупкое разрушение, материал должен обладать достаточными ударной вязкостью и пластичностью. Для менее пластичных материалов, обладающих склонностью к хрупкому разрушению, надо учитывать факторы, которые влияют на вязкость и пластичность, то есть увеличивают вероятность хрупкого разрушения. К данным факторам относятся большие размеры деталей, низкие температуры, динамические нагрузки и наличие концентраторов напряжений, например, надрезов. Долговечность материала заключается в его способности сопротивляться развитию постепенного разрушения, сохраняя работоспособность деталей в течении установленного ресурса. Обеспечение долговечности заключается в уменьшении скорости разрушения. Для большинства материалов долговечность определяется сопротивлением материалов изнашиванию или сопротивлением усталостным нагрузкам.
Оценка конструктивной прочности стали по параметрам структуры
Конструктивная прочность деталей из стали характеризуется пределом текучести стали и температурой перехода в хрупкое состояние из вязкого. 3нание механизмов упрочнения делает возможным количественно оценить предел текучести и изменение температуры перехода стали из вязкого состояния в хрупкое. В данном случае исходными данными являются:
- химический состав;
- количественные структурные параметры, к которым относятся соотношение фаз, размер фаз, размер зерна и т. п.;
- распределение элементов между фазами.
В основу такого расчета положены количественные соотношения, которые устанавливаются для каждого механизма упрочнения. К таким упрочнениям относятся:
- твердорастворное упрочнение,
- дислокационное упрочнение,
- дисперсионное упрочнение,
- зернограничное упрочнение.
В большинстве случаев имеет место быть линейная аддитивность, то есть вклад отдельных механизмов суммируется. Главными механизмами упрочнения являются: упрочнение границ зерен и субзерен - зернограничное упрочнение; упрочнение причиной которого является образование дисперсных частиц второй фазы - дисперсионное упрочнение; напряжения трения решетки; упрочнение, которое обусловлено сопротивлением скользящей дислокации - дислокационное упрочнение; упрочнение твердого раствора растворенными в нем примесями и легирующими элементами. При анализе перечисленных механизмов упрочнения необходимо уточнять факторы каждого из них. В общем случае, с учетом аддитивности предел текучести может быть рассчитан по формуле:
$Т = О+Тр+Д+ДУ+3$
где: О - напряжение трения решетки; Тр - упрочнение раствора растворенными в нем примесями и легирующими элементами; Д - упрочнение сопротивлением скользящей дислокации; ДУ - упрочнение, вызванное образованием дисперсных частиц второй фазы; 3 - упрочнение границ зерен.
Чтобы рассчитать твердорастворное упрочнение используется формула:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где: n - количество действующих в сплаве i-манимов упрочнения; ki - коэффициент упрочнения; Сi - концентрация легирующего элемента в растворе.
Пластическая деформация сопровождается образованием новых дислокаций. Для расчета дислокационного упрочнения используется формула:
Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где: а - коэффициент, который зависит от характера распределения и взаимодействия дислокаций; р - плотность; G - модуль сдвига матрицы; b - модуль Брюггерса.
Формула для расчета дисперсионного упрочнения выглядит следующим образом:
Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где л - расстояние между частицами
3ернограничное упрочнение характеризуется уравнением Холла-Петча
Рисунок 4. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где: ку - коэффициент Холла-Петча, зависящий от материала; d - размер зерна.
