Конструкционная прочность

Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров и условий эксплуатации. Они испытывают различные типы нагрузок, работают при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Все это определяет требования к материалу, основными из которых являются эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Материал должен выполнять свое функциональное назначение, т.е. обладать определенными значениями механических и физических характеристик, которые должны сохраняться в допустимых пределах во весь период эксплуатации в рабочих средах и рабочем диапазоне температур и давлений. Комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации называется конструкционной прочностью.

Технологические требования (технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют все возможные методы его обработки. От технологичности материала зависят производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования направлены на обеспечение конкурентоспособности материала и изготавливаемых из него изделий. Стоимость материала должна быть как можно ниже при условии выполнения эксплуатационных требований. Технологические и экономические требования приобретают особое значение при массовом производстве.

Конструкционная прочность материала – комплексная характеристика, включающая сочетание конструкционных критериев прочности, надежности и долговечности. В качестве критериев прочности выбираются такие механические характеристики, получаемые при испытаниях, которые наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации. Примеры критериев прочности – временное сопротивление s_в; условный предел текучести s_0,2; модуль упругости E; предел выносливости s_-1.

Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение особо опасно из-за большой скорости протекания при напряжениях, ниже расчетных, и создания аварийных ситуаций. В условиях эксплуатации действуют факторы, увеличивающие опасность хрупкого разрушения: различные концентраторы напряжений (надрезы, трещины и микротрещины), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор). Примерами критериев надежности являются относительное удлинение после разрыва d; относительное сужение после разрыва y; ударная вязкость KCT, KCV, KCU; вязкость разрушения K _1c; температурный порог хладноломкости t ₅₀.

Долговечность – свойство материалов сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причины постепенного отказа разнообразны: усталость, изнашивание, ползучесть, коррозия, радиационное разбухание и др. Эти процессы при эксплуатации вызывают постепенное накопление необратимых изменений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения. Для большинства деталей машин долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Повышение конструкционной прочности металлов и сплавов достигается химическими, технологическими и конструкционными методами. Химические методы позволяют управлять химическим и фазовым составом, что влияет также на кристаллическую решетку и дефектную структуры металлического материала. Технологические методы позволяют регулировать распределение химических элементов, фаз и дефектов, создавать определенную дефектную структуру. Конструкционные методы обеспечивают равномерное распределение нагрузки по детали и между деталями. В общем случае на конструкционную прочность металлического материала влияет целый ряд факторов, представленных на рис. 1.

Рис. 1. Классификация факторов, влияющих на конструкционную прочность

материалов

Таким образом, конструкционная прочность определяется как конструкционными и технологическими факторами, за которые несет ответственность изготовитель, так и условиями эксплуатации изделия, которые также должны отвечать техническим условиям.