Перечислите новые способы повышения прочности металлов и сплавов

Обновлено: 19.05.2024

Характеристики механических свойств конструкционных материалов для изготовления деталей машин (характеристики упругости, прочности, пластичности и др.) определяют путем испытаний стандартных образцов в стандартных условиях. В реальных конструкциях эти свойства не всегда проявляются в полной мере. Особенно заметно это несоответствие между характеристиками прочности, полученными при испытании лабораторных образцов, и конструкционной прочностью как максимальным сопротивлением материала, реализуемым в деталях машин.

Особый характер проявления механических свойств материала, воплощенного в деталь или конструкцию, связан с влиянием трех групп факторов: эксплуатационных, технологических и конструкционных.

Эксплуатационные факторы определяются назначением детали и условиями его эксплуатации (температурой, видом и характером нагружения, окружающей средой и т.п.); они определяют выбор материала для проектируемого изделия и конструкции.

Большой эффективности в повышении конструкционной прочности и снижении материалоемкости изделий можно достичь за счет технологических факторов, связанных с предысторией металлургической, механической и термической переработки материала.

Известно, что прочность – это свойство материала, зависящее от его природы (химического состава) и структурного состояния. Прочность реальных конструкционных материалов из-за наличия дефектов структуры на два-три порядка ниже теоретической, характеризуемой сопротивлением разрыву межатомных связей. Поэтому практически все технологические методы повышения конструкционной прочности материалов основаны на создании такого структурного состояния, при котором обеспечивалось бы сведение к минимуму влияние имеющихся дефектов, в том числе, на субмикроуровне (дислокаций). Это осуществляется путем легирования, предварительной пластической деформации, термической, термомеханической, химико-термической обработок. Необходимые характеристики физико-механических свойств достигаются и повышением чистоты выплавляемого металла. Для этого в промышленности все более широко внедряется вакуумно-дуговой, электронно-лучевой и другие виды переплавов.

За счет применения выше перечисленных технологических методов удается достичь высоких уровней прочности материалов: для сталей - =1600. 2000 МПа, для титановых сплавов - =1000. 1250 МПа, для алюминиевых сплавов - =550. 600 МПа и т.п.

Для повышения циклической прочности и износостойкости применяют технологические методы поверхностного упрочнения, поверхностную закалку, химико-термическую обработку (азотирование, цементацию), поверхностное пластическое деформирование (обдувку дробью, обкатку роликами и др.).

Следует иметь в виду, что повышение характеристик прочности материала путем использования различных технологических приемов, как правило, сопровождается снижением характеристик пластичности и вязкости разрушения. Показателен в этом отношении характер зависимости конструкционной прочности от взаимного сопротивления материала sв. Наличие на этой зависимости максимума свидетельствует о том, что повышение sв за счет термообработки или иными способами имеет смысл только до определенных пределов, так как снижение при этом пластичности препятствует перераспределению напряжений в зонах концентрации, а снижение вязкости повышает вероятность хрупкого разрушения. Отметим, если деталь изготовлена из пластичных материалов, то к эффективным способам оптимизации распределения напряжений можно отнести тренировку изготовленного изделия с перегрузками (автофретирование). Этот способ упрочнения деталей применим только в том случае, если в процессе эксплуатации нагрузка не изменяет знак.

В настоящее время для достижения высокой конструкционной прочности широко используются композиционные материалы, состоящие из мягкой матрицы и высокопрочных волокон, оптимально ориентированных по отношению к действующему в детали полю напряжений. Композиционные материалы позволяют рационально согласовать «поля напряжений» с «полями сопротивлений» материала. Они отличаются высокой трещиностойкостью, так как при образовании трещин, например, из-за разрушения волокна, ее распределение тормозится мягкой матрицей. Недостатком композиционных материалов на неметаллической основе является их интенсивное старение, сопровождающееся охрупчиванием.

Принцип равнопрочности всех высоконапряженных деталей, составляющих изделие, осуществить практически невозможно. Тем не менее, использование более достоверных расчетных схем в сочетании с приемами оптимального конструирования является важным резервом повышения несущей способности изделия, более полного использования свойств материала в детали. Высокие показатели использования резерва прочности материала не всегда адекватны экономическим показателям в части стоимости изделия.

К основным правилам конструирования относятся следующие:

Необходимо избегать резких концентраторов напряжений – больших перепадов жесткостей, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и т.п. Концентрация напряжений может быть вызвана дефектами материала (микротрещины, раковины, включения), а также действием сопряженной детали, например, при использовании посадок с гарантированным натягом. Циклическая прочность может резко снижаться при наличии царапин на поверхности, повреждений поверхностного слоя при грубой механической обработке, кислотном травлении. Поэтому при проектировании изделий следует предусматривать специальные меры по обеспечению и сохранению в процессе работы хорошего состояния поверхности деталей. Для этого используют различного рода покрытия, предупреждающие коррозию металла, водородное и другие виды охрупчивания. Однако некоторые виды покрытий, например, гальванические, могут способствовать снижению циклической прочности.

В местах резких изменений размеров ступенчатых деталей лучше использовать конические переходы, эллиптические или поднутренные галтели, а также декомпенсаторы в виде канавок на поверхности большого размера. Кромки отверстий подвергают обжатию или обчеканке. Благоприятное расположение пятна контакта в зонах приложения сосредоточенных нагрузок достигается приданием поверхности бочкообразной формы (бомбинированием), применением смазок, изготовлением контактируемых поверхностей с кривизной одинакового знака, заменой точечного контракта линейным, введением самоустанавливающихся башмаков.

Уровень остаточных напряжений в деталях машин, в том числе монтажных напряжений, должен быть сведен до минимума. Необходимую несущую способность соединений с гарантированным натягом лучше обеспечивать не за счет натяга, а за счет длины контактируемых поверхностей. При этом соединяемые детали должны обладать приблизительно одинаковой жесткостью в радиальном направлении. Для уменьшения деформаций при сварке и снижения сварочных напряжений применяют конструкции с симметричным расположением швов, избегают их пересечения, делают сварные швы прерывистыми, не располагают их вблизи элементов жесткости.

Коэффициент использования металла по критериям прочности и жесткости можно значительно повысить применением рациональных сечений с усилениями наиболее нагруженных зон (двутавровой балки), полых деталей в виде труб, коробок, тонкостенных элементов других форм, подкрепленных поперечными и диагональными связями (раскосами), ребрами или гофрами, а также ячеистых и сотовых деталей. Эффективными могут оказаться конструкции, в которых несущие элементы, работающие при высоких градиентах напряжений (на изгиб, кручение), заменены элементами, работающими на растяжение и сжатие. Иногда остаточные напряжения сжатия различными способами формируются в локальных зонах для «смягчения» концентрации напряжений.

Конструкции деталей машин, работающих при высоких или низких температурах, особенно в неизотермических условиях, должна исключать возможность возникновения высоких температурных градиентов, приводящих к термическим напряжениям. С этой целью в каждом узле следует использовать материалы с близкими коэффициентами линейного расширения и одинаковой теплопроводностью.

Понижение температуры эксплуатации изделия сопровождается ростом вероятности хрупкого разрушения несущих элементов, особенно в зонах сварных швов. В этих случаях очень важно избегать высоких концентраций напряжений любой природы, использовать геометрические формы деталей, исключающие работу материала при двух- и трехосном растяжении, обеспечивать низкие запасы упругой энергии в силовых элементах. В отдельных случаях необходимо предусматривать специальные «ловушки», останавливающие развивающуюся трещину.

Статистика и анализ отказов машин свидетельствует о том, что резервы повышения конструкционной прочности материалов еще далеко не исчерпаны. Здесь, кроме развития методов расчета и оптимального конструирования, важную (если не ведущую) роль играют технологическое обеспечение заданных показателей качества и строгое соблюдение регламентируемых условий эксплуатации изделий.

Выбор материалов для элементов конструкции

При проектировании СЛА очень важной задачей является правильный выбор материалов для элементов его конструкции. Кроме традиционных авиационных материалов, таких как алюминиевые и титановые сплавы, конструкционные и легированные стали, широкое применение находит древесина. Особого внимания заслуживают вопросы применения композиционных материалов, в частности текстолита, стеклотекстолита, древесных пластиков и пенопластов.

Важными характеристиками любого материала являются его прочность и твердость, именно эти характеристики являются определяющими в общем машиностроении. При выборе материала для элементов летательного аппарата следует стремиться к получению наименьшей массы при заданной прочности и достаточной жесткости конструкции. Наиболее информативной характеристикой свойств материала, подбираемого для элементов конструкции, работающих на растяжение и сжатие, может служить отношение его предела прочности Од к плотности, называемое удельной прочностью материала. Чем больше удельная прочность материала, тем меньшую массу может иметь элемент конструкции, работающий на растяжение или сжатие.

При выборе материала для элемента с заранее заданной формой (а иногда и некоторыми размерами) поперечного сечения (рис. 3. 1),

Рис 3.1 Сечения силовых элементов

работающего на изгиб, продольный изгиб или кручение, необходимо использовать выражения, определяющие удельную прочность при этих видах нагрузок, приведенные в табл. 3. 1.

Таблица 3.1 Выражение для удельной прочности материалов при различных видах нагружения

Большой интерес представляет сравнительный анализ удельной прочности различных конструкционных материалов. В табл. 3. 2 приведены результаты вычислений удельной прочности древесных пород (сосны, ясеня), высокопрочных алюминиевых сплавов (Д-16, В-95) и нормализованной легированной стали ЗОХГСА.

Таблица 3.2 Характеристики конструкционных материалов

Из таблицы видно, что при работе элемента на растяжение древесина по удельной прочности не уступает высокопрочным алюминиевым сплавам и даже легированной стали. А удельная прочность древесины при изгибе, при отсутствии ограничений по размерам сечения элементов, намного превышает удельную прочность алюминиевых сплавов и, тем более, стали. Иначе обстоит дело при работе материала на сжатие. При этом виде нагружения удельная прочность древесины более чем в два раза ниже удельной прочности алюминиевых сплавов и легированной стали.

Исходя из удельной прочности материалов, сталь, даже легированная, при обычных температурах, не имеет преимуществ перед деформируемыми высокопрочными алюминиевыми сплавами. С учетом сложностей механической и термической обработки сталь при создании СЛА применяется ограниченно, в основном для стыковочных узлов силовых элементов.

Наибольшую удельную прочность из рассматриваемых материалов имеет высокопрочный алюминиевый сплав В95-2. Однако при его применении следует иметь в виду, что он "боится" концентраторов напряжения, которыми могут быть отверстия, надрезы, резкие переходы профиля и даже глубокие царапины. С целью обеспечения заданной прочности элементов конструкции, выполненных из этого сплава, необходимо увеличивать коэффициент безопасности. В результате масса элемента из сплава В95-2 примерно равна массе того же элемента, выполненного из хорошо зарекомендовавшего себя сплава Д-16Т.

Высокие прочностные характеристики имеют алюминиевые сплавы (табл. 3. 3) АК4, АК6, АК8. Мягкие алюминиевые сплавы АМц, АМг2, АМг3 и т. п. целесообразно использовать только в несиловых элементах, требующих сварки, например топливных баках,

Таблица 3.3 Механические и технологические свойства алюминиевых сплавов

Литейные алюминиевые сплавы по механическим свойствам существенно уступают деформируемым и используются для изготовления узлов силовой установки и различного, рода кронштейнов, не несущих больших нагрузок.

Древесина как конструкционный материал в современном самолетостроении вытеснена металлами и композиционными материалами. Объясняется это такими ее недостатками, как пожароопасность, недолговечность и нетехнологичность при массовом производстве. При создании единичных образцов СЛС применение древесины выгодно, так как она достаточно легко обрабатывается, а изготовление деревянных конструкций не требует дорогостоящей оснастки,

По удельной прочности все породы дерева, приведенные в табл. 3. 4, за исключением липы, почти равнозначны.

Таблица 3.4 Механические свойства древесины

Однако наибольшее применение для изготовления силовых элементов конструкции находят сосна, ель, ясень. У дуба худшее, чем у ясеня, скалывание вдоль волокон, что существенно затяжеляет заделку элемента. Бук склонен к сильному короблению при высыхании и при любом изменении влажности, поэтому используется в основном в виде шпона при изготовлении элементов конструкции методом склеивания. Липу как достаточно легкий материал выгодно использовать для элементов, не подверженных большим и особенно сосредоточенным нагрузкам.

Больший выигрыш в массе конструкции может дать широкое применение композиционных материалов: текстолита, стеклотекстолита и особенно угле - и боропластиков. Слоистые пластики могут использоваться для обшивки крыла и фюзеляжа, стенок лонжеронов, изготовления нервюр, шпангоутов и различных перегородок. Исходя из условия обеспечения необходимой жесткости, выигрыш от применения пластиков в конструкции СЛА намного больше, чем на обычных самолетах.

Механические свойства наиболее доступных композиционных материалов приведены в табл. 3. 5.

Таблица 3.5 Механические свойства наиболее доступных композиционных материалов

Массу частей СЛА можно существенно снизить за счет использования трехслойных конструкций, заполнителем которых являются пенопласты-газонаполненные пластические массы ячеистой структуры. Плотность большинства пенопластов (табл. 3. 6) почти на порядок ниже плотности древесины. Такие марки пенопластов, как ПС-1 и ПС-4, на основе полистирола, хорошо режутся и обрабатываются горячей нихромовой проволокой. Почти все приведенные в табл. 3. 6 пенопласты хорошо обрабатываются режущими инструментами, а ПХВ-1 и ПХВ-3 - полируются с помощью шлифовальной бумаги.

Таблица 3.6 Механические свойства пенопластов

Многие элементы конструкции могут быть изготовлены из стеклоткани или шпона, пропитанных эпоксидным компаундом. Такие конструкции, как правило, получаются прочными, жесткими и достаточно легкими.

Лекция № 11. Основные понятия теории надежности конструкций ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ Согласно ГОСТ 27.002—89 «Надежность в технике. Термины и определения» надежность конструкции есть свойство сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах. Одним из основных понятий Теории надежности конструкций является понятие предельного состояния. Условие прочности по существу есть условие обеспечения прочностной надежности. Основной особенностью реальных условий эксплуатации машин и конструкций является случайный характер взаимодействия с окружающей средой. Это проявляется в том, что мы не можем достоверно предвидеть все типы внешних нагрузок и их величины, которые могут встретиться в процессе эксплуатации. Кроме того, источником неопределенности могут быть случайные свойства материалов. Например, предельное напряжение , входящее в условие прочности, по своей природе является случайным. Его величина зависит от многих факторов: марки материала, технологии изготовления, размеров детали или конструкции, условий эксплуатации и др. Случайный характер механических свойств материалов наглядно проявляется при испытаниях, обнаруживающих значительный разброс экспериментальных данных. Источник неопределенности связан также с разбросом размеров при изготовлении конструкций: в принципе невозможно выдержать абсолютно точно геометрические параметры конструкции, при их изготовлении допускаются некоторые отклонения. В случае одномерного напряженного состояния
(1)

напряжение , зависящее от внешних нагрузок, при определенных условиях может принять довольно большое значение, а предельное значение может оказаться малым, так что это неравенство нарушится. Если стечение обстоятельств, приводящее к нарушению условия прочности, редкое событие, то приходим к вероятностной трактовке условия прочности с позиций теории надежности. Вероятностью называется числовая характеристика степени возможности наступления некоторого события в определенных многократно воспроизводимых условиях. Вероятность события А можно оценить на основе опытных данных. Если проводится достаточно большое число опытов N, в которых событие Л появилось NA раз, то можно считать, что вероятность появления этого события равна

Вероятность как мера возможности наступления события удовлетворяет условиям , причем значение Р=0 соответствует невозможному событию, а значение Р=1 — достоверному событию.

Вероятность события, заключающегося в выполнении условия (4.1) Р( ) в теории надежности называется вероятностью безотказной работы. Вместо условия прочности (1) записывается условие

Р( )=Р*, (2)

где Р* —заданное достаточно высокое значение вероятности, которое называется нормативной вероятностью безотказной работы. В этом случае говорят, что условие прочности обеспечено с вероятностью Р*.

Методы повышения конструкционной прочности

Высокая прочность и долговечность конструкций при минимальной массе и наибольшей надежности достигаются технологическими, металлургическими и конструкторскими методами.

Наибольшую эффективность имеют технологические и металлурги ческие методы, цель которых — повышение механических свойств и качества материала.

Из механических свойств важнейшее — прочность материала, повышение которой при достаточном запасе пластичности и вязкости ведет к снижению материалоемкости конструкции и в известной степени к новы шению ее надежности и долговечности.

Прочность — свойство, зависящее от энергии межатомной связи, структуры и химического состава материала. Энергия межатомного взаимодействия непосредственно определяет характеристики упругих свойств (модули нормальной упругости и сдвига), а также так называемую тео ретическую прочность.

Модули нормальной упругости и сдвига являются константами мате риала и структурно нечувствительны.

Теоретическая прочность (сопротивление разрыву межатомных связей) в реальных кристаллах из-за наличия структурных дефектов не до стигается. Реальная прочность на два-три порядка ниже теоретической и определяется не столько межатомными силами связи, сколько структурой материала.

Сопротивление пластической деформации зависит главным образом от легкости перемещения дислокаций. В связи с этим современные методы повышения прочности материала основаны на создании такого структурного состояния, которое обеспечивало бы максимальную задержку (блокировку) дислокаций. К методам упрочнения относятся легирование, пластическая деформация, термическая, термомеханическая и химико-термическая обработка. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов.

1. Увеличение плотности дислокаций. Силовые поля вокруг дислокаций являются эффективными барьерами для других близко расположенных дислокаций. В связи с этим чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому деформированию.

Теория дислокаций дает следующую зависимость между пределом текучести Т и плотностью дислокаций р:

Оу - сто + abGy/p,

це сто — предел текучести до упрочнения; а — коэффициент, учиты-ающий вклад других механизмов торможения дислокаций; 6 — вектор юргерса; G — модуль сдвига.

Целесообразно увеличивать плотность дислокаций до 10 12 см -2 . При эльшем значении в силу неравномерного распределения структурных де-ектов отдельные объемы материала пересыщаются дислокациями. Это язывает нарушение сплошности в виде субмикроскопических трещин и шжение прочности.

2. Создание дислокационных барьеров в виде границ зерен, субзерен, 1сперсных частиц вторичных фаз. Подобные препятствия на пути дви-ения дислокаций требуют дополнительного повышения напряжения для с продвижения и тем самым способствуют упрочнению.

Роль эффективного барьера выполняют границы зерен и субзерен локов мозаики). Скользящая дислокация вынуждена останавливаться у их границ, поскольку в соседних зернах (субзернах) плоскость скольже-1Я имеет другую ориентацию. Повышение прочности при измельчении рна (или субзерна) описывается уравнением Холла-Петча:

е сто — напряжение, необходимое для движения свободной дислокации; — коэффициент, характеризующий прочность блокирования дислока-й; d — диаметр зерна (субзерна).

Важная особенность этого фактора упрочнения состоит в том, что из-льчение зерна (увеличение протяженности их границ) сопровождается вышением ударной вязкости. Объясняется это уменьшением размеров эодышевых трещин и затруднением их развития. Трещина вынуждена менять направление движения при переходе от одного зерна к другому; >езультате ее траектория и сопротивление движению увеличиваются.

Сильное торможение передвижению дислокаций создают дисперсные стицы вторичной фазы. Такой фактор упрочнения характерен для ге-зогенных сплавов, подвергнутых закалке и старению. В этом случае слокации, перемещаясь в плоскости скольжения, должны либо перережь частицы, либо их огибать.

3. Образование полей упругих напряжений, искажающих кристал-ческую решетку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов-сансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих ментов.

Упрочнение при легировании растет пропорционально концентра-\ легирующего элемента в твердом растворе и относительной разницы )мных радиусов компонентов.

Атомы внедрения (С, О, Н, N) могут вносить большой вклад в упрочнение, если они скапливаются на дислокациях и блокируют их, образуя сегрегации или атмосферы Коттрелла.

Комбинацией различных структурных факторов упрочнения можно значительно повысить характеристики прочности (В, сгт, НВ, о_\ ). Однако достигаемая прочность остается все же значительно ниже теоретической. Вместе с тем повышение прочности, основанное на уменьшении подвижности дислокаций, сопровождается снижением пластичности, вязкости и тем самым надежности.

Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление хрупкому разрушению, т.е. надежность материала. В углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском можно получить при содержании 0,4 % С ав и 2400 МПа, при 0,6 % С (7В и 2800 МПа. Однако при такой прочности стали хрупки (КСТ и 0) и эксплуатационно ненадежны.

Заданные прочность, надежность, долговечность достигаются формированием определенного структурного состояния. Оно должно сочетать эффективное торможение дислокаций с их равномерным распределением в объеме материала либо, что особенно благоприятно, допускать определенную подвижность скапливающихся у барьеров дислокаций. Эти требования исходят из того, что хрупкое разрушение инициируют скопления дислокаций критической плотности, например, у непроницаемых барьеров, где возникают опасные локальные напряжения. Их релаксация идет двумя путями: 1) образованием зародыша хрупкой трещины; 2) прорывом и эстафетной передачей дислокаций в смежные области. Второй путь — путь пластической релаксации локальных напряжений — возможен при наличии полупроницаемых барьеров. Их роль, в частности, выполняют малоугловые границы — границы субзерен.

Формированию благоприятной структуры и обеспечению надежности способствуют рациональное легирование, измельчение зерна, повышение металлургического качества металла.

Рациональное легирование предусматривает введение в сталь и сплавы нескольких элементов при невысокой концентрации каждого с тем, чтобы повысить пластичность и вязкость. Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой, особенно при использовании высокоскоростных способов нагрева — индукционного и лазерного.

Наиболее эффективное измельчение субструктуры (блоков мозаики) достигается при высокотемпературной термомеханической обработке (ИГМО). Она предусматривает интенсивную пластическую деформацию

аустенита с последующей закалкой, при которой наклепанный аустенит превращается в мартенсит, и низкий отпуск. Такая комбинированная обработка формирует структуру с высокой плотностью дислокаций и достаточно равномерным их распределением вследствие сильного дробления кристаллов мартенсита на отдельные субзерна (блоки). В образующейся субструктуре дислокации связаны в стабильные конфигурации, а субграницы выполняют роль полупроницаемых барьеров. В результате ВТМО обеспечивает наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению.

Более надежной работе высоконапряженных деталей способствует повышение чистоты металла, его металлургического качества. Повышение чистоты стали связано с удалением вредных примесей — серы, фосфора, газообразных элементов — кислорода, водорода, азота и зависящих от их содержания неметаллических включений — оксидов, сульфидов и др.

Неметаллические включения, серу и газообразные примеси удаляют из металла в процессе переплава. В промышленности применяют несколько способов переплава: вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумно-индукционную плавку (ВИП), рафинирование синтетическим шлаком. При вакуумной плавке и вакуумных переплавах металл наиболее полно очищается от растворенных газов. Сера практически не удаляется. При рафинировании синтетическим шлаком и ЭШП, наоборот, наиболее полно удаляется сера.

При равной прочности более чистый металл обладает более высоким сопротивлением вязкому разрушению и более низким порогом хладноломкости.

Для повышения циклической прочности и износостойкости важно затруднить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, химико-термической обработкой (азотированием, цементацией), поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами).

Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопроч-ности высоконапряженных деталей. При их проектировании избегают резких перепадов жесткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Если этого сделать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.

Рассмотренные выше технологические и металлургические методы повышения конструкционной прочности сталей и сплавов включают:

1) методы упрочнения, вызывающие увеличение плотности дислокаций и уменьшение их подвижности;

2) методы обеспечения необходимого запаса пластичности и вязко сти, предусматривающие более равномерное распределение дислокаций, а также очистку от охрупчивающих материал примесей.

Арсенал структурных факторов, используемых во второй группе методов, определяет следующий допустимый уровень статической прочности в конструкциях разного назначения: для сталей ств = 1600.. .2200 МНа; для титановых сплавов ств = 1000 . 1250 МПа; для алюминиевых сплавов ав = 550 . 600 МПа. Для ряда отраслей техники этого оказывается недостаточно.

Принципиально иной способ достижения высокой конструкционной прочности использован в композиционных материалах — новом классе высокопрочных материалов. Такие материалы представляют собой композицию из мягкой матрицы и высокопрочных волокон. Волокна армируют матрицу и воспринимают всю нагрузку. В этом состоит принципиальное отличие композиционных материалов от обычных сплавов, упрочненных, например, дисперсными частицами. В сплавах основную нагрузку воспринимает матрица (твердый раствор), а дисперсные частицы тормозят в ней движение дислокаций, сильно снижая тем самым ее пластичность. В композиционных материалах нагрузку воспринимают высокопрочные волокна, связанные между собой пластичной матрицей. Матрица нагружена слабо и служит для передачи и распределения нагрузки между волокнами. Композиционные материалы отличаются высоким сопротивлением распространению трещин, так как при ее образовании, например, из-за разрушения волокна, трещина «вязнет» в мягкой матрице. Кроме того, композиционные материалы, использующие высокопрочные и высокомодульные волокна и легкую матрицу, могут обладать высокими удельной прочностью и жесткостью.

Современные способы повышения качества металлов и сплавов

Развитие специальных отраслей машиностроения и приборо­строения предъявляет все более жесткие требования к качеству металла: показателям его прочности, пластичности, газосодер­жания, анизотропии механических свойств. Улучшить эти пока­затели можно уменьшением в металле неметаллических включе­ний, газов, вредных примесей. Плавка в обычных плавильных агрегатах (мартеновских и электрических, кислородных конвер­терах) не позволяет получить металл требуемого качества. Поэ­тому в последние годы разработаны новые технологические про­цессы, позволяющие повысить качество металла: обработка метал­ла синтетическим шлаком, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумирование металла при разливке, плавка в вакуумных печах, вакуумно-дуговой переплав (ВДП), вакуумно-индукционный переплав (ВИП), переплав металла в электронно-лучевых и плазменных печах. Количество металла, выплавляемого этими способами, постоянно увеличивается.

Обработка металла синтетическим шлаком. Сущность про­цесса, заключается в ускорении взаимодействия между сталью и шлаком за счет интенсивного их перемешивания при запол­нении сталью ковша.

Процесс осуществляют так: синтетический шлак, состоящий из 55 % СаО, 40 % А12О3, небольших количеств SiO2, MgO и миниму­ма FeO, выплавляют в специаль­ной электропечи и заливают в ковш. В этот же ковш затем заливают с некоторой высоты (обычно из электропечи) сталь. В результате перемешивания стали и шлака поверхность их взаимодействия резко возра­стает, и металлургические реак­ции между металлом и шлаком протекают в сотни раз быстрее, чем в обычной плавильной печи. Благодаря этому, а также низ­кому содержанию закиси железа в шлаке, сталь, обработанная таким способом, содержит меньше серы, кислорода и неметалли­ческих включений, улучшаются ее пластические и прочностные характеристики.

Вакуумная дегазация стали. Этот способ (рис. 1.17) относится к внепечным способам обработки, осуществляемым в ковше или излож­нице. Ее проводят для уменьшения содержания растворенных в металле газов и неметаллических включений. Вакуумной дега­зации в ковше или изложнице подвергают сталь, выплавляемую в мартеновских и электропечах. Сущность процесса заключается в снижении растворимости в жидкой стали газов при понижении давления над зеркалом металла, благодаря чему газы выделяются из металла, что приводит к улучшению его качества. Процесс осуществляется различными способами: вакуумпрованием стали в ковше, при переливе из ковша в ковш, при заливке в изложницу и др.

Рис. 1.17.Схема ва-куумной дегазации стали в ковше

Вакуумирование в ковше выпол­няют в стальных, футерованных изнутри камерах. Ковш 3 с жидкой сталью 4 помещается в камеру 2, закрывающуюся герметич­ной крышкой 1. Вакуумными насосами в камере создается раз­режение до остаточного давления 267…667 Н/м 2 (0,267…0,667 кПа). Продолжитель­ность вакуумироваиия 12…15 мин. При понижении давления из жидкой стали выделяются водород и азот, а при большой окисленности металла уменьшается и содержание кислорода вслед­ствие его взаимодействия с углеродом стали. Всплывающие пу­зырьки газа захватывают неметаллические включения, в резуль­тате чего содержание их в стали снижается. При снижении содер­жания газов и неметаллических включений улучшаются проч­ностные и пластические характеристики стали.

Электрошлаковый пе­реплав. Способ разработан в Институте электросвар­ки им. Е. О. Патона для переплава стали с целью повышения качества ме­талла. Электрошлаковому переплаву подвергают вы­плавленный в электроду­говой печи и прокатан­ный на круглые прутки металл. Источником тепла при ЭШП явялется шлаковая ванна, нагреваемая за счет прохождения через нее электрического тока. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванн 2, и к поддону 9, установлен­ному внизу в водоохлаждаемой металлической изложнице (кри­сталлизаторе) 7, в которой находится затравка 8 (рис. 1.18). Выделяющаяся теплота нагревает шлаковую ванну 2 до 1700 °С и более и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак, собираются, образуя под шлаковым слоем металличе­скую ванн 4.

Перенос капель металла через шлак, интенсивное перемешивание их со шлаком способствуют их активному взаимодействию, в результате чего происходит удаление из металла неметалли­ческих включений и растворенных газов. Металлическая ванна, непрерывно пополняемая за счет расплавления электрода, под воздействием водоохлаждаемого кристаллизатора постепенно формируется в слиток 6. Кристаллизация металла, последова­тельная и направленная снизу вверх, происходит за счет теплоотвода через поддон кристаллизатора. Последовательная и направленная кристаллизация способствует удалению из металла неметаллических включений и пузырьков газа, получению плотного однородного слитка. После полного застывания слитка опускают поддон и извлекают его из кристаллизатора.

Рис. 1.18. Схема электрошлакового переплава расходуемого электрода: а – кристаллизатор; б – включение установки; 1 – расходуемый электрод; 2 – шлаковая ванна; 3 – капли электродного металла; 4 – металлическая ванна; 5 – шлаковый гарнисаж; 6 – слиток; 7 – стенка кристаллизатора; 8 – затравка; 9 - поддон

В результате электрошлакового переплава содержание кис­лорода в металле снижается в 1,5…2 раза, понижается концен­трация серы и соответственно уменьшается в 2…3 раза загряз­ненность металла неметаллическими включениями, причем они становятся мельче и равномерно распределяются в объеме слитка.

Слиток отличается большой плотно­стью, однородностью, его поверхность — хороший качеством благодаря наличию шлаковой корочки 5. Все это обуслов­ливает высокие механические и эксплуа­тационные свойства сталей и сплавов электрошлакового переплава.

Слитки выплавляют круглого, квад­ратного, прямоугольного сечений мас­сой до 110 т.

Вакуумно-дуговой переплав. Такой переплав применяют для удаления из металла газов и неметаллических вклю­чений. Сущность процесса заключает­ся в снижении растворимости газов в стали при снижении давления и уст­ранении взаимодействия ее с огнеупор­ными материалами футеровки печи, так как процесс ВДП осуществляется в водоохлаждаемых медных изложницах. Для осуществления процесса исполь­зуют вакуумные дуговые печи с рас­ходуемым электродом (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Схема вакуумно-дугового переплава

В зависимости от требований, предъяв­ляемых к металлу, расходуемый элек­трод может быть получен механиче­ской обработкой слитка, выплавленного в электропечах. Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в корпус 1 печи и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печи ва­куум-насосами откачивают воздух до остаточного давления 1,33 Н/м 2 (0,00133 кПа). При подаче напряжения между расходуемым электродом-катодом и затравкой-анодом 8, помещенной на дно изложницы, возникает дуговой разряд. Теплотой, выделяющейся в зоне раз­ряда, расплавляется конец электрода; капли 4 жидкого металла, проходя зону дугового разряда, дегазируются, постепенно запол­няют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7.Дуга горит между расходуемым электродом и ванной 5 жидкого металла, находящейся в верхней части слитка, на протяжении всей плавки. Благодаря сильному охлаждению нижней части слитка и разо­греву дугой ванны жидкого металла в верхней его части создаются условия для направленного затвердевания слитка. В резу­льтате направленного затвердевания неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, а усадочная раковина в слитке мала. Слитки, полученные в вакуумных дуговых печах, содержат очень небольшое количество газов, неметаллических включений, отличаются высокой равномерностью химического состава, имеют хорошую макроструктуру. Поэтому металл, полу­ченный ВДП, отличается повышенными механическими свой­ствами и пластичностью. Из слитков ВДП изготовляют ответ­ственные детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Емкость дуговых вакуумных печей — до 50 т.

1.13. Современные внедоменные способы производства железа (ста­ли)— одно из перспективных направлений в металлур­гии. Для передела в сталь используют около 80 % всего чугуна. Двухстадийная технология современного стале­плавильного производства: руда→чугун→сталь явля­ется технически несовершенной. С давних времен извест­на принципиально иная технология — получение стали из заранее восстановленного железа. Например, еще в VII—X вв. высококачественную булатную сталь для холодного оружия получали плавкой железа с углерод-содержащими добавками в небольших тиглях. Из много­численных разработанных и опробованных способов восстановления железа из руды некоторые нашли, хотя и ограниченное промышленное применение. Перспек­тивной является металлизация рудных окатышей для использования в производстве стали. Ведутся большие работы по разработке сталеплавильных агрегатов не­прерывного действия.

Пути повышения прочности, и пластичности, металла

При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением. Разрушение состоит из двух стадий - зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (изделия). Возникновение микротрещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокации перед препятствием (границы субзерен, зерен, межфазные границы, всевозможные включения и т. д.), что приводит к концентрации напряжений, достаточных для образования микротрещины.

Разрушение может быть хрупким и вязким.Вязкое разрушение происходит со значительной пластической деформацией; при хрупком разрушении пластическая деформация мала.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют "внезапным" или "катастрофическим" разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины. При хрупком разрушении работа распространения трещины близка к нулю.

По виду микроструктуры различают разрушение транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.

Увеличение прочности металла повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей машин. Реально достигнутая прочность металла (техническая прочность) значительно ниже теоретической.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны бы иметь материалы согласно физическим расчетам сил сцепления в твердых телах. Низкая прочность (сопротивление деформации) металлаобъясняется легкой подвижностью дислокации. Следовательно, для повышения прочности или необходимо устранить дислокации или повысить сопротивление их движению. Сопротивление их движению дислокации возрастает при взаимодействии их друг с другом и с различного рода другими дефектами кристаллической решетки, создаваемыми при обработке металла.

Дефекты решетки оказывают на сопротивление металла деформации двоякое влияние. С одной стороны, образование в металле дислокации ослабляет металл. С другой стороны, дефекты кристаллического строения упрочняют его, так как препятствуют свободному перемещению дислокации.

Минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокации А, приближенно оцениваемой – 10 6 -10 8 см -2 . Эта величина относится к отожженным металлам. Если количество дефектов (плотность дислокации) не превышает величины А, то уменьшение их содержания резко увеличивает сопротивление деформации. Прочность в этом случае быстро приближается к теоретической.

В настоящее время удалось получить кристаллы размером 2-10 мм и толщиной от 0, 5 до 2, 0 мкм, практически лишенные дефектов кристаллической решетки (дислокации). Эти нитевидные кристаллы, названные английскими учеными "усами" (whisker), обладают прочностью, близкой к теоретической. Отсутствие дефектов в усах объясняется условиями их роста и малыми размерами. Увеличение размера усов сопровождается резким снижением прочности. При толщине более 0, 25 мкм усы железа по прочности не отличаются от технического железа.

Читайте также: