Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 [ 55 ] 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123


Таблица 5.3. Основные характеристики трехфазных эвтектик на основе алюминия

№ п/п

Фазы эвтектики

(Al)+(Si)+Mg2Si (Al)+(Si)+NiAl3 (А1)+ MgSi+NiAlj

(Al)+(Si)+ FeNiAl,

(Al)+(Si)+Fe4Si2Be3Al,g

(Al)+Mg2Si+FeNiAl9

(Al)+ Mg2Si+Fe2SiAl8

(Al)+Mg2Si+Fe4Si2Be3 Al (Al)+NiAl3+CeAl4

Система

Al-Si-Mg Al-Si-Ni Al-Si-Mg-Ni

Al-Si-Fe-Ni Al-Si-Fe-Be Al-Ni-Fe-Mg-Si

Al-Si-Fe-Mg

Al-Fe-Si-Mg-Be Al-Ni-Ce

Состав и температура эвтектики

Al-13%Si-5%Mg, 555 °С

Al-ll%Si-4,5%Ni, 565 С

Al-4%Si-7%Mg-3%Ni, 588 °С, квазитройное сечение

Al-5%Si-l ,5%Ni-l ,5%Fe, =575 °С

Al-6%Si-2%Fe-0,3%Be, =575 °С

Al-1 %Ni-1 %Fe-7%Mg-4%Si, =590 °C, квазитройное сечение

Al-3%Si-2,5%Fe-2%Mg, =575°C (моновариантная реакция), неравновесный вариант

Al-2%Fe-3,5%Si-4%Mg-0,25%Ве, =590 °С, квазитройное сечение

Al-12%Ce-5%Ni, 627 °С

12,2 24,9

тика, кристаллизуясь практически при постоянной температуре, имеет прекрасные литейные свойства - не хуже, чем у эвтектического силумина АК12.

Таким образом, у разработанных в последние годы новых литейных алюминиевых сплавов с большим количеством эвтектических составляющих достигнут комплекс механических и литейных свойств, существенно превосходящий ранее известные сплавы.

Дальнейшие исследования эвтектических сплавов должны быть направлены на поиск новых перспективных систем легирования, разработку методов расчетного прогнозирования таких систем, удешевление новых сплавов, более глубокий анализ формирования структур многофазных эвтектик при кристаллизации и их трансформации при последующей термообработке.

ВЫСОКОПРОЧНАЯ СТАЛЬ

Высокопрочные материалы. Из миллиарда тонн материалов, ежегодно производимых в мире, 99 % - материалы конструкционные, их назначение - вьщерживать некоторые нагрузки Р. Условия их работы характеризует напряжение а = P/Sq, приложенное в опасном сечении площадью Sq. Чтобы конструкция при разгрузке возвращалась к исходным размерам, ее относительные деформации е должны оставаться в области линейного закона упругости а = гЕ {Е - модуль Юнга). Поэтому в основе инженерных расчетов лежит предел текучести материала ад 2 ~ напряжение, при котором остаточное (пластическое) удлинение составит 0,2 %. Всюду в конструкции должно быть а < ад 2 (с некоторым заданным запасом).

Для каждого класса сталей определенного назначения потребитель привык к известному уровню предела текучести, который приемлемо сочетается со множеством других необходимых технологических и эксплуатационных свойств. Когда ему предлагают более высокий уровень oq 2 (при тех же или лучших его гарантиях и без потери остальных качеств), такие стали рекламируют как высокопрочные. Сегодня обычно называют высокопрочными строительные стали с пределом текучести ад 2 > 450 МПа, арматурные - при ад 2 600 МПа, конструкционные - начиная от 1200 МПа.

Для каждой из этих групп сталей и комплекс свойств, и средства его достижения совершенно различны. Общий здесь лишь каскадный эффект у потребителя: повышая допустимые напряжения, экономят не столько на сечении и массе материала, сколько на бесполезных нагрузках от собственного веса конструкции. Особенно наглядно это в летательной технике: облегчая фюзеляж на килограмм, экономят на мощности и весе двигателя, чтобы его поднять в воздух, на весе запаса топлива, на весе бака для него и, наконец, опять на весе каркаса, чтобы все это нести. Выигрыш бывает и десятикратным.

Ниже рассмотрены лишь высокопрочные конструкционные стали рекордного уровня прочности ад 2 > 1500 МПа, применяемые в виде массивных поковок. Их конкурент - композиты на основе стеклянно-о, углеродного и борного волокна (а также стальной проволоки). Их сравнивают уже не по самой величине предела прочности а, Н/м, а

5.2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

И СПЛАВЫ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ



ПО его отношению к удельному весу материала у, Н/м. Удельная прочность в километрах имеет размерность о/у = (Н/м)/(Н/мЗ) = м. Для стали в массивной поковке о/у < 30 км, тогда как нити имеют удельную прочность, км: титан - 42; сталь - 54; бериллий - 95; бор - Но-стекло - 140,..200; углерод - 140...200.

Композиты из такого волокна на углеродной, эпоксидной, алюминиевой или магниевой связке вытеснили тонколистовую сталь - там, где нагрузки одноосные или двухосные, а их направление по всему объему постоянно. Композитными делают оболочки и баллоны высокого давления, корпуса ракет и даже крылья самолетов (как Су-37).

Но композит плохо несет нагрузки поперек нитей, а при большой толщине не пропекается , не пропитывается при склейке. На композит труднее передать нафузку равномерно. В нем сложно выявлять слабые места: прогалы в намотке нити, плохое сцепление ее со связкой.

Поэтому там, где нафузки большие по абсолютной величине, ударные, рабочее сечение большое, распределение напряжений сложное, сталь остается вне конкуренции. При рекордном уровне прочность стали должна быть однородная в больших сечениях, одинаковая во всех направлениях. К тому же нужна свариваемость - возможность получать сварной шов без трешин, по прочности и вязкости не хуже основного металла.

Из поковок сталей предельно высокой прочности делают, например, стойки шасси и силовой набор самолета, роторы высокооборотных моторов, насосов и центрифуг, маховики-накопители кинетической энергии для тяжелых тягачей. Объем мирового производства таких сталей сравнительно небольшой - до 10 т/год. Но их совершенствование важно и принципиально: структурные решения в этой области всегда опережали материалы других классов и впоследствии заимствовались в разработках не только сталей иного назначения, но также и сплавов титана и алюминия. (Так же и создание штучных моторов для Формулы-1 ценою в миллионы долларов окупается опробованием новых технических решений, переносимых затем фирмой на миллионы автомобилей).

Характеристики прочности и пластичности. В обширном комплексе обязательных требований к стали высокой прочности большинство характеристик механических свойств стандартные. Но их информативность и приоритеты при выборе стали требуют детального анализа.

При растяжении измеряется по ГОСТ 1497 предел текучести Oq2 предел прочности о = тах/О относительное удлинение 6 (%) и относительное сужение ц/ (%) после разрушения.

Всякое разрушение - следствие некоторой пластической деформации. Но хрупкое разрушение может наступить и после пластического удлинения образца на 0,001 % (еще до номинального предела текучести Oq 2), а вязкое - и на 50 %, и более. Стекло разрушится при о = <в<суо,2 образец металла достигает уровня о (максимальной нагрузки Р после пластической деформации е-Ю .

При напряжении Р пластическая деформация становится неустойчивой - она локализуется, появляется шейка; разрушение же наступает позднее, после значительного местного сужения в шейке \/.

Пока образец удлиняется однородно, его равномерное относительное удлинение Ъ и относительное сужение Vpagjj связаны условием сохранения объема (1 +5разн)(1 - рз) = 1, и тогда Ъ = \/рзз . Но измеренное после разрушения сужение в шейке большое: 1/равн Д как полное удлинение 5 = 5равн поскольку область шейки много короче, чем весь образец. Поэтому всегда 5, и обе стандартные характеристики пластичности важны и не взаимозаменяемы: 5 характеризует однородную деформацию до потери устойчивости течения, а у - полную (в том числе местную) деформацию до начала разрушения.

Предел прочности Од = P/Sf - это всего лишь номинальное (вычисленное по начальной площади сечения q) напряжение при удлинении 5p3jj. Рассчитьшать по величине О3 прочность стальных конструкций не имеет смысла: они потеряют рабочие размеры и конфигурацию гораздо раньше деформации 5p3j. Поэтому общепринятое в мире название величины Og предел прочности весьма условно. Но в ГОСТ 1497 на метод испытания Од названа временное сопротивление - еще более условно, и причина - исторический анекдот. Обозначение о бьшо давно заимствовано из немецкого стандарта, где буква В означала Bruch - разрушение. Когда же в 1942 г. вводили ГОСТ 1497-42, ссьшаться на немецкое происхождение нашли неуместным, а чтобы во множестве стандартов на металл обозначение о не менять, объявили, что в -ЭТО сокращение от -временное сопротивление - хотя ни о каком времени речь не идет. За 60 лет этот официальный термин в литературе по металловедению так и не прижился.

Хотя рассчитывать стальные конструкции по величине О3 нельзя, соотношение Од : Oq 2 важно тем, что указывает на вид диафаммы деформации и устойчивость материала к местным перефузкам. Диаграмма нагляднее в истинных координатах: истинное напряжение s=P/S относят не к начальной 5q, а к текущей площади сечения S; а деформация ф истинная, если приращение длины образца dL отнесено не к



начальной, а к текущей длине L, так что й?ф = dL/L = ~dS/S (поскольку объем V= LS= const). Истинная диаграмма деформации обычно степенного вида 5 = sq(p , и важен ее показатель упрочнения п{п < 1).

При нагрузке Р пластическая деформация локализуется, появляется шейка. Если сила Р = sS, то ее приращение dP = s-dS + S-ds, и из условия максимума dP = О следует s = -S- ds/dS или ds/d(? = s. Приравняв 5 = Sq(p и его производную ds/d> = qV , получим критическую деформацию потери устойчивости = п. При малом показателе упрочнения п материал ненадежен - его течение неустойчиво уже при небольших местных деформациях.

Отношение gJgq прямо связано с показателем упрочнения п. Предел текучести адд определен при деформации = 0,002, т. е. Од 2 = д 2 = = о(Фт) - Пределпрочности = s{S/Sq), где = (фр) = srf. Из определения й?ф = -dS/S следует соотношение начальной и текущей площади сечения Sq/S= ef, и тогда = Лд(я/е) . Отсюда отношение a/agj = (я/еф) . Чем меньше отношение стандартных характеристик Oj/agj, тем меньше и показатель упрочнения п - хуже устойчиюсть материалак перегрузкам.

Теоретическая прочность . Еще в 20-е годы бьшо оценено напряжение aQp однородного разрушения кристаллической решетки - теоретическая прочность - верхняя граница возможного предела прочности а для любого материала. Известен вид потенциала V{x) межатомного взаимодействия (изменения энергии атома при его смещении на расстояние x от равновесного положения в решетке). Его константы выражаются через модуль Юнга Е и равновесное межатомное расстояние Ь. По мере роста упругого удлинения г-=х/Ь возвращающая сила F=-dV/dx нарастает, достигая максимума в точке Xq = b/6, при eg = Xq/Ь = Ve (немыслимое упругое удлинение - около 15%). Значение Fq{xq) дает критическое напряжение разрыва всех связей а = Fq/iP- = £/12 - около /12 от модуля Юнга.

Эта теоретическая прочность непомерно велика: практический предел для используемых материалов = £/100. Причина в том, что модель предполагает одновременное разрушение всей решетки - рассыпание на атомы , тогда как из-за неизбежной неоднородности структуры разрушение начнется в одной, худшей точке и будет распространяться как единственная трещина. ( Материал с теоретической прочностью вряд ли кому и понадобился бы - он дышит : если довести нагрузку в конструкции до aggp, ее упругое удлинение будет 15 %).

Вязкость разрушения. Важнее поднимать не предел прочности до уров-теор удельную (на единицу площади) работу распространения

ешины G (но чем прочнее материал, тем работа G обычно ниже), конструкций абсолютно без дефектов не бывает (и по способу изготовления, и по условиям эксплуатации). Важно знать, какой дефект приемлем и какой его размер должен надежно обнаруживаться, чтобы вовремя прекращать эксплуатацию конструкции.

Критерий старта трещины находится из сопоставления упругой энергии разгрузки материала вблизи трещины и работы разрушения G (задача Гриффитса, 1919 г.). Когда большой объем материала однородно растягивается напряжением а, плотность упругой энергии в нем и = а/2£. Около трещины длиной 2£ напряжения перераспределяются: силовые линии ее обтекают, оставляя зону без напряжений площадью примерно kL. Из нее высвобождена упругая энергия А2 = иж1}=п1 o/lE. Но на образование берегов трещины затрачена работа = 2GL, пропорциональная ее длине. Высвобождаемая энергия Aj растет с длиной трещины квадратично, а - линейно. Критическое состояние - когда прирост затрат и высвобождение энергии равны: dA/dL = dA/dL или к1хР-/Е= 2G. Тогда при постоянном напряжении а трещины длиннее критического размера £ = GE/kg растут самопроизвольно (почти со звуковой скоростью). А для трещины любого данного размера L существует критическое напряжение ар = GE/nL , при котором начинается ее неограниченный рост. Удобнее переписать ар = K/JmL , где М взамен к/2 - фактор формы любой трещины (вычисляемый из теории упругости), а К = y/2GE -критическая интенсивность напряжений или вязкость разрушения. Для данного материала при данной температуре эта величина - константа. Она определяется из независимого эксперимента: измеряют номинальное (по исходному сечению) напряжение старта заранее созданной трещины известного размера £.

Если напряжение в конструкции а, то степень риска от появления трещины длиной L указывает интенсивность напряжений = о у/ML . Мгновенное разрушение наступит, когда будет достигнуто критическое 1 = А ,. Для практических расчетов конструкций по допустимому размеру трещины £р = (KJaf/M накоплены тома вычисленных значений М и экспериментально измеренных для разных материалов значений К. (Не очень удобное для сопоставлений соотношение единиц: 1 Н/ммЗ/2 = 10-3/2 МПа/м; 1 кг/мм/ о,316 MПa/).

Стандартную величину Ку измеряют на воздухе, но вообще она сильно зависит от среды испытания. Коррозионное растрескивание под напряжением - наиболее опасный для высокопрочных сталей вид коррозии. При совершенно не поврежденной на вид, блестящей поверхности ме-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 [ 55 ] 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка