Констукционная прочность материалов 1 Констукционная прочность материалов

Констукционная прочность материалов 1

Констукционная прочность материалов 2

Тема 4. Констукционная прочность материалов 4. 1. Конструкционная прочность материалов, виды конструкционных материалов. 4. 3. Пути повышения прочности материала. 4. 4. Сверхпластичное состояние материалов. 4. 5. Сверхупругость. 3

Схема связей между характеристиками материала • Как показывает практика и обширные научные исследования в области физики твердого тела (ФТТ) и материаловедения, наличие тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь, строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки. Таким образом, можно установить следующие связи между характеристиками материала (рис. ). 4

4. 1. Конструкционная прочность материалов, виды конструкционных материалов. Металлы и неметаллы • Основную часть всех материалов составляют металлы. • В физике деление на металлы и неметаллы определяется по поведению электросопротивления материала: у металлов оно определяется электронным строением оболочек и при Т 0 К 0, в то же время у неметаллов, т. е. полупроводников и диэлектриков при Т 0 . • Все металлы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы. В свою очередь, эти две группы делятся на подгруппы. 5

Виды конструкционных материалов • Конструкционные материалы условно делятся на четыре класса: • - стали; • - чугуны; • - цветные металлы и сплавы; • - неметаллические материалы. 6

Неметаллические конструкционные материалы • • • Применение в химическом машиностроении неметаллических конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы. Фторопласт (тефлон) - элементы конструкций из фторсодержащих полимеров обладают высокой стойкостью практически во всех агрессивных средах в широком интервале температур. Углеграфитовые материалы – графит, пропитанный фенолформальдегидной смолой, или графитопласт, - прессованная пластмасса на основе фенолформальдегидной смолы с графитовым наполнителем. Обладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах. Стекло и эмали. Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производствах особо чистых веществ. Эмали - специальные силикатные стекла, обладающие хорошей адгезией с металлом. Промышленностью выпускаются чугунные и стальные эмалированные аппараты, работающие в широком интервале температур от -15 до +250 0 С при давлениях до 0, 6 МПа. Керамика - выпускается кислотоупорный кирпич для футеровки химического оборудования, крупноблочная керамика для аппаратов башенного типа, например, в производстве серной кислоты. Керамические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим агрессивным средам, исключение составляют щелочные среды. Трубопроводы из кислотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и соляной кислот. 7

Неметаллические конструкционные материалы • • • Фарфор - обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за исключением плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фарфор используется в качестве конструкционного материала в производствах, где к чистоте продуктов предъявляются повышенные требования. Винипласт - термопластичная масса, обладающая высокой устойчивостью почти во всех кислотах, щелочах и растворах, за исключением азотной и олеума. Детали из винипласта надежно работают в интервале температур 0 — 40 0 С и давлении до 0, 6 МПа. Асбовинил - композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обладающая сравнительно высокой стойкостью к действию большинства кислот и щелочей в интервале температур от -50 до +110 0 С. Полиэтилен, полипропилен - термопластичные материалы, стойкие к действию минеральных кислот и щелочей при условиях: - полиэтилен - температура от -60 до +60 0 С, давление до 1 МПа; - полипропилен - температура от -10 до +100 0 С давление до 0, 07 МПа. 8

• • • Пропитанный графит - графит, полученный после прокалки каменноугольной смолы и пропитанный связующими смолами - фенолформальдегидными, кремнеорганическими, эпоксидными и др. Жаропрочный кислотостойкий бетон - применяется для бетонирования днищ башенного оборудования сернокислотного производства, для изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900 -1200 0 С. В последнее время находят применение полимербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред. Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хризотил, андезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к действию щелочей. Все эти материалы обладают хорошими физико-механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных теплоизоляционных и футеровочных материалов. Среди многочисленных полимерных материалов, применяемых в противокоррозионной технике, все большее место занимают стеклопластики и бипластмассы, получаемые на основе различных синтетических смол и стекловолокнистых наполнителей. Наиболее перспективными в области применения полимерных материалов являются конструкции из бипластмасс, состоящие из внутреннего химстойкого слоя – термопласта и внешнего упрочняющего слоя – стеклопластика. 9

• Конструкционные материалы подразделяются: • по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; • по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др. ), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т. п. ); • по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т. д. ; • по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности. 10

Металлические материалы. 83 из известных 112 химических элементов таблицы Менделеева Д. И. являются металлами. Они обладают рядом характерных свойств: • высокой тепло- и электропроводностью; • положительным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет); • термоэлектронной эмиссией (испусканием электронов при нагреве); • хорошей отражательной способностью (блеском); • способностью к пластической деформации; • полиморфизмом. 11

Поликристаллический осмий и алюминий • Металлы и их сплавы — одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах. 12

Классификация металлов: а- черных; б- цветных 13

Металлическое состояние • Наличие перечисленных свойств обусловлено металлическим состоянием вещества, главным из которых является наличие легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости. • Металлическое состояние возникает в совокупности атомов, когда при их сближении внешние (валентные) электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими и свободно перемещаются между положительно заряженными, периодически расположенными ионами. Силы притяжения (силы связи) в твердых телах существенно отличаются по своей природе. Обычно рассматривают четыре основных типа связей в твердых телах: ван-дер-ваальсовые, ковалентные, металлические, ионную. 14

Конструкционная прочность материалов В результате испытаний получают характеристики: · силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, предел выносливости); · деформационные (относительное удлинение, относительное сужение); · энергетические (ударная вязкость). Все они характеризуют общую прочность материала независимо от назначения, конструкции и условий эксплуатации. Высокое качество детали может быть достигнуто только при учете всех особенностей, которые имеют место в процессе работы детали, и которые определяют ее конструкционную прочность. 15

Определение Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации. На конструкционную прочность влияют следующие факторы: · конструкционные особенности детали (форма и размеры); · механизмы различных видов разрушения детали; · состояние материала в поверхностном слое детали; · процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе. 16

Необходимым условием создания качественных конструкций при экономном использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность. Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению. Развитие хрупкого разрушения происходит при низких температурах, при наличии трещин, при повышенных остаточных напряжениях, а также при развитии усталостных процессов и коррозии. Критериями, определяющими надежность, являются температурные пороги хладоломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость, характеристики пластичности, живучесть. 17

• Долговечность – способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния. • Долговечность определяется усталостью металла, процессами износа, коррозии и другими, которые вызывают постепенное разрушение и не влекут аварийных последствий, то есть условиями работы. • Критериями, определяющими долговечность, являются усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность. • Общими принципами выбора критериев для оценки конструкционной прочности являются: • · аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах и изделиях; • · аналогия условий испытания образцов и условий эксплуатации (температура, • среда, порядок нагружения; • · аналогия характера разрушения и вида излома в образце и изделии. 18

4. 3. Пути повышения прочности материала. Для неметаллов • Существуют пути повышения прочности путем создания новых композиционных материалов, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов, а также пути термо-деформационной обработки (например, наполненных полиэтиленов, пластмасс и др. ). Позволяющей изменить служебные свойства материалов. 19

• Металлы и их сплавы — одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах. 20

Пути повышения прочности металлов и сплавов • - Создание металлов и сплавов с бездефектной структурой; повышением плотности дефектов, затрудняющих движения дислокации. В настоящее время получены нитевидные кристаллы (усы), прочность которых в 50 - 15 раз больше прочности обычного металла. • - Создание искусственного наклепа объёмного и особенно поверхностного ( нагартовки ). • - Легирование металла в т. ч. железа элементами таблицы Менделеева. • - Получение наследственно-мелкозернистого зерна путем регулируемой кристаллизации, модифицирования, модификаторами первого (V, Ti, Mo, Nb, Ta и др. ) и второго рода (Ca, Mg, РЗМ и др. ). • - Очистка металла от вредных примесей S, P, Sb, As, газов H, N, O. При этом повышаются все механические свойства, уменьшается способность распространения трещин. • - Термическая обработка, термомеханическая обработка. 21

4. 4. Сверхпластичное состояние материалов. Определение сверхпластичности • сверхпластичность (англ. Superplasticity, классическое определение) — состояние материала, имеющего кристаллическую структуру, которое допускает деформации, на порядок превышающие максимально возможные для этого материала в обычном состоянии. • СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ (с технической точки зрения)– свойство некоторых металлов и сплавов мелкозернистой структуры в определенном диапазоне температур сильно деформироваться (деформации до 1000% и более) без разрушения или трещинообразования под действием относительно малых нагрузок. 22

Отличие пластичности от сверхпластичности Многие аморфные материалы (например, стекла и полимеры) также демонстрируют возможность больших деформаций при повышенных температурах, однако их состояние не относится к сверхпластичности, так как эти материалы не имеют кристаллической структуры. Их состояние описывается законами поведения ньютоновской жидкости. Когда раскаленный, бело-желтый кусок стали, постепенно темнея под ударами молота, изменяет свою форму, превращаясь в деталь сложной конфигурации или в изысканное произведение кузнечного искусства, мы сталкиваемся с явлением пластичности в том виде, который был открыт человеком в незапамятные времена. Казалось бы, очень высокая температура процесса ковки все объясняет – горячая сталь размягчается и течет. Но оказывается, не все так просто. Если в стали содержится достаточное (но очень небольшое) количество серы, то раскаленная заготовка под ударом молота раскалывается на куски, как холодное стекло (это явление называется «красноломкостью» ). 23

История открытия сверхпластичности • Явление сверхпластичности было открыто в 1860 -х прошлого века французским ученым Треска (Tresca), проводившим опыты со свинцом. • Изучение сверхпластичности началось в 20 в. , когда было обнаружено, что мелкозернистый сплав Zn-Cu-Al под нагрузкой ведет себя необычно: при весьма малом напряжении образец тянется, как будто он сделан из разогретой смолы. • Затем была открыта сверхпластичность сплавов Pb. Sn и Bi-Sn. 24

Образец из сплава Bi-Sn при растяжении удлиняется на 1950%, т. е. в 20 раз 25

Признак сверхпластичности при механических испытаниях • Образцы в состоянии сверхпластичности при растяжении, как правило, не образуют «шейки» , демонстрируя большие значения относительного удлинения, чем отличаются от образцов в состоянии обычной пластичности • Относительно низкое напряжение течения, отсутствие заметного упрочнения при деформации • Как правило, зерна сплавов не демонстрируют вытяжку по оси деформации после испытания в состоянии сверхпластичности 26

Схема зависимости между напряжением и скоростью деформации Log В ОБЛАСТИ и , т. е. малых и больших скоростей деформации происходит обычный процесс деформирования без аномального роста пластичности. В области наблюдается максимальная чувствительность к скорости деформации и можно ожидать проявления сверхпластичности. Log Факторы, определяющие сверхпластичность: температура, размер зерен, разнозернистость, текстура, состояние границ зерен 27

Три класса УМЗ материалов со сверхпластичностью • Известные сплавы, проявляющие свойство сверхпластичности, в зависимости от температуры деформации естественно делятся на три класса: • Сплавы, проявляющие сверхпластичность при комнатной температуре – легкоплавкие сплавы; типичный представитель – эвтектический сплав Pb-Sn; они используются как материалы для экспериментальных исследований. • Среднеплавкие сплавы; сверхпластичность наблюдается при температуре 200– 500° С; очень важны как конструкционные материалы, имеют хорошие прочностные свойства при комнатной температуре; типичный представитель – сплав Zn-22%Al (фирменное название – «престал» ). 28

Три класса материалов со сверхпластичностью (продолжение) • Тугоплавкие сплавы, сверхпластичность при температурах свыше 500° С – стали, так называемые жаропрочные сплавы, а также сплавы, содержащие титан (пример – Ti-6%, Al-4%, V). Эти сплавы играют важнейшую роль в авиационной и космической технике, как материал деталей газовых реактивных двигателей, в том числе турбин. Жаропрочные сплавы при нормальной температуре обычно очень твердые и хрупкие, их механическая обработка оказывается очень сложной и дорогой. Горячая штамповка без использования сверхпластичности также не является простым делом – обычно приходится использовать несколько матриц для последовательного изменения формы заготовки. Обнаружение и использование эффекта сверхпластичности в жаропрочных сплавах позволяет внедрить простые технологии, когда, при очень сложной форме, изделие получается за одну операцию и не требует дальнейшей обработки. 29

Сверпластичность керамики • Состояние высокотемпературной сверхпластичности характерно также для керамик с мелким размером зерна, обычно меньше 20 микрон. Кроме достаточно мелкого зерна, от материала для достижения состояния сверхпластичности требуется высокая однородность распределения по объему термопластичных компонентов, которые связывают между собой границы зерен в процессе пластического течения, позволяя материалу сохранять свою кристаллическую структуру. • Можно сказать, что явление сверхпластичности открыло огромные возможности в технологии и новое поле деятельности в изучении сущности явления и построения его теории – и механической, и физической. 30

Механизмы сверхпластичности Для металлов до сих пор нет однозначно принятого мнения о механизме возникновения состояния сверхпластичности. Считается, что он лежит в области явлений диффузионного массопереноса и проскальзывания зерен относительно друга. • Недавно обнаруженное состояние сверхпластичности у крупнозернистого алюминида железа объясняется процессом динамической рекристаллизации зерен. 31

Общий вид образца сплава типа «супрал» , сверхпластично продеформированного до разрушения в оптимальных условиях, в сравнении с исходным образцом Показано, что СПД образцов сплава типа «супрал» , находящегося в процессе течения в твердом состоянии, осуществляется главным образом за счёт интенсивного ЗГП с участием зернограничных пор при активном развитии микроаккомодационных процессов на границах и в теле зерен. 32

Механизмы сверхпластичности сплава супрал Обнаружение на поверхности рабочей части образцов сплавов АК 4 -1 ч и 6111 разрывов реперных рисок, их значительные смещения на границах соседних, проскальзывающих друг относительно друга зерен, а также образование зернограничных пор и трещин свидетельствует о том, что ЗГП в ходе сверхпластического течения образцов в оптимальных условиях СПД осуществлялось интенсивно. Измерения показывают, что вклад ЗГП в общую деформацию образцов сплавов АК 4 -1 ч и 6111 составляет 50%. 33

Применение МАТЕРИАЛЫ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ЗАКАЗЧИКИ Высокопрочные магниевые сплавы с эффектом сверхпластичности Детали кузова автомобиля Элементы двигателя Корпуса электронных приборов: корпуса ноутбуков, сотовых телефонов и пр. Предприятия авиакосмического комплекса Предприятия автомобильной промышленности Предприятия электронной промышленности Высокопрочные алюминиевые сплавы с эффектом высокоскоростной сверхпластичности Элементы фюзеляжа, обтекатели Элементы корпуса и переборки Предприятия авиакосмического комплекса Судостроительные предприятия Высокопрочные титановые сплавы Крепеж Предприятия авиакосмического комплекса Поршневые сплавы с уникальными механическими свойствами Высокопрочные и высокоресурсные поршни двигателей внутреннего сгорания Предприятия автомобильной промышленности Моторостроительные предприятия 34

Итак: повторим!!! • Сверхпластичность обычно наступает при температурах, превышающих половину температуры плавления по абсолютной шкале. • Для металлов до сих пор нет однозначно принятого мнения о механизме возникновения состояния сверхпластичности. Считается, что он лежит в области явлений диффузизионного массопереноса и зернограничного проскальзывания зерен относительно друга. • Недавно обнаружено состояние сверхпластичности, которое объясняется процессом динамической рекристаллизации зерен. 35

4. 5. Сверхупругость – Сверхупругость - это способность металлических материалов к обратимой деформации, которая на 1 - 2 порядка больше, чем деформация металлических материалов до условного предела упругости. – Сплав, обладающий сверхупругостью ведёт себя подобно резине. Для промышленного использования наиболее важна сверхупругость, связанная с мартенситным превращением в сплавах 36

Суть явления • На явлении сверхупругости построен эффект памяти формы. • Чтобы понять эффект памяти формы, достаточно один раз увидеть его проявление • Что происходит? Есть металлическая проволока. Эту проволоку изгибают. Начинаем нагревать проволоку. При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму. 37

Почему так происходит? • В исходном состоянии в материале есть определенная структура. • При деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры — мартенситные пластины. Что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий (см. след. пункт). • При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые. • Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму. 38

Эффект памяти формы характеризуется двумя величинами. Маркой сплава со строго выдержанным химическим составом. Температурами мартенситных превращений. В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют мартенситные превращения двух видов — прямое и обратное. Соответственно каждое из них проявляется в своем температурном интервале: МН и МК — начало и конец прямого мартенситного превращения при деформации, АН и АК — начало и конец обратного мартенситного превращения при нагреве. 39

Виды эффекта памяти формы • Температуры мартенситных превращений являются функцией как марки сплава (системы сплава), так и его химического состава. Небольшие изменения химического состава сплава (намеренные или как результат брака) ведут к сдвигу этих температур. • Отсюда следует необходимость строгой выдержки химического состава сплава для однозначного функционального проявления эффекта памяти формы. Что переводит металлургическое производство в сферу высоких технологий. • Эффект памяти формы проявляется несколько миллионов циклов. • Предварительными термообработками можно усиливать эффект памяти формы. • Возможны реверсивные эффекты памяти формы, когда материал при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую. • Чем выше температуры обратного мартенситного превращения, тем в меньшей степени выражен эффект памяти формы. Например, слабый эффект памяти формы наблюдается в сплавах системы Fe. Ni (5 - 20 %Ni), у которых температуры обратного мартенситного превращения 200— 400˚C. 40

Материалы с эффектом памяти формы • Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана. Никелид титана — это интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас. %Ni. Температура плавления 1240— 1310˚C, плотность 6, 45 г/см 3. Исходная структура никелида титана стабильная объемно-центрированная кубическая решетка типа Cs. Cl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение с образованием фазы низкой симметрии. Другое название этого сплава, принятое за рубежом, — нитинол происходит от аббревиатуры Ni. Ti. NOL, где NOL — это сокращенное название Лаборатории морской артиллерии США, где этот материал был разработан в 1962 году. Элемент из никелида титана может исполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма. Никелид титана обладает: Превосходной коррозионной стойкостью. Высокой прочностью. Хорошими характеристиками формозапоминания. Высокий коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила. Деформация до 8 % может полностью восстанавливаться. Напряжение восстановления при этом может достигать 800 МПа. Хорошая совместимость с живыми организмами. Высокая демпфирующая способность материала. 41

Применение в медицине • Фильтры для введения в сосуды кровеносной системы. Вводятся в виде прямой проволоки с помощью катетера, после чего они приобретают форму фильтров, имеющих заданную локацию. • Зажимы для защемления слабых вен. • Искусственные мышцы, которые приводятся в действие электрическим током. • Крепежные штифты, предназначенные для фиксации протезов на костях. • Замещение хрящей головки бедренной кости. Заменяющий материал становится самозажимным под действием сферической формы (головки бедренной кости). • Стержни для коррекции позвоночника при сколиозе. 42

Применение в медицине • Временные зажимные фиксирующие элементы при имплантации искусственного хрусталика. • Оправа для очков. В нижней части, где стекла крепятся проволокой. Пластиковые линзы не выскальзывают при охлаждении. Оправа не растягивается при протирке линз и длительном использовании. Используется эффект сверхупругости. • Противозачаточные спиральки, которые после введения приобретают функциональную форму под воздействием температуры тела. • Ортопедические импланты. • Проволока (ортодонтическая дуга) для исправления зубного ряда. • Имплантаты дентальные (самофиксация расходящихся элементов в кости) 43

Итак, повторим еще раз! Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации. Необходимым условием создания качественных конструкций при экономном использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность. 44

Итак, повторим еще раз!!! • Сверхупругость - это способность металлических материалов к обратимой деформации, которая на 1 - 2 порядка больше, чем деформация металлических материалов до условного предела упругости. Признаки сверхпластичности: Образцы в состоянии сверхпластичности при растяжении, как правило, не образуют «шейки» , демонстрируя большие значения относительного удлинения, чем отличаются от образцов в состоянии обычной пластичности • Относительно низкое напряжение течения, отсутствие заметного упрочнения при деформации 45

46

Типы кристаллов 47

48

49

50

51