Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

13.11.2023

Размер:

22.52 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 / 2920 21 22 23 24 25 26 27 28 29 > Следующая >>>

фита шаровидной или близкой к ней формы. Такой чугун имеет высокую прочносп и пластичность и получил название высокопрочного чугуна.

Серый, ковкий и высокопрочный чугугГклассифицируют по механическим свой ствам. Согласно общей классификации, принято деление чугуна по твердости, проч ности и пластичности по группам (табл. 2.38) [117]. К общим достоинствам чугуна от носятся хорошие литейные свойства и сравнительно высокая прочность. Различные

Т а б л и ц а 2.38.	Классификация	чугунок по механическим			свойствам
Свойстпо	Группа чугуна		Численные значения своПстп i
Твердость	Мягкий	чугун	ДЯ =		1490 МПа
	Средней	твердости	Н В =		1490... 1970 МПа
	Повышенной твердости		Н В =		1970...2690 МПа
	Твердый		И В = 2690 МПа
Прочность	Обыкновенной прочности		i7B <	200 МПа
	Повышенной прочности		гтв =	200...380 МПа
	Высокой	прочности	<тв >	380 МПа
Пластичность	Непластичный (хрупкий)		Ô < 1	%		%
	Малолластнчный		ô = 1...5
	Пластичный		ô = 5 ...10			%
	Повышенной пластичности		-5 > 1 0		%

марки чугунов могут быть использованы как конструкционный, износостойкий, ан тифрикционный, коррозионностойкий, жаростойкий, немагнитный н другие мате риалы.

Сравнение механических свойств литой ннзкоуглероднетой стали и серого, кол кого и высокопрочного чугунов дано в табл. 2.39 [87].

Т а б л и ц а 2.39.			Сравнительные	характеристики	механических	свойств	стали,
серого, козковго			и высокопрочного	чугуна			>
				Показатель по видам материалов
	Параметр		Сталь литая		Чугун
	Параметр		Сталь литая
			хшэкоуглеродис	серьи)		высокопрочный
			тая	серьи)	K O B K ilft	высокопрочный
Оп,	МПа		390...460	120...380	300... 700	400...800
1	%		19...25	0,25...1,2	2,0...20,0	1.5..	.30.0
%2> ; и		П а	200...300	0,02...0,06	220...500 '	240..	.600
K C V ,		М Дж/м2	0,6...1,8	0,02...0,06	0,2...2,5	0,15....1.5
сг_i , МПа			—	60...150	80...170	100...,180
Н В ,	МПа		1210...1430	1400...3500	900... 2700	1500... 3000
	Диаграммы деформирования чугунов имеют специфичный вид, характеризуе
мый	нелинейной зависимостью между напряжениями и деформациями, начиная с

весьма малых напряжений, отсутствием площадки текучести, существенным отличи ем диаграмм деформирования при растяжении и сжатии, которые были рассмотрены в главе 1.

Механические свойства чугунов, и прежде всего серого чугуна, существенно за висят от способа изготовления образцов, при испытании которых определяются эти свойства.

При испытании чугунов проявляются также общие закономерности, харак^р - ные для малопластичных и хрупких материалов.

На рис. 2.41 показана

зависимость

модуля упру

гости чугуна от суммы содержания углерода и крем

ния.

Модуль

упругости

серого

чугуна

колеблется

в пределах

от

6000

до

160 000

МПа

[117].

Предел

прочности серого

чугуна

при

растяжении

(рис. 2.42)

существенно зависит от толщины стенок отливок,

уменьшаясь с увеличением толщины стенок [87]. Пре

дел прочности при сжатии существенно выше, чем пре

дел прочности при растяжении

(рис. 2.43) [87].

тик

Имеет

место существенное

рассеяние характерис

механических

свойств. В связи

с большим коли

чеством внутренних дефектов в сером

чугуне влияние

внешних концентраторов напряжений на прочность

относительно невелико.

Механические свойства серого, ковкого и высо

копрочного

чугунов

даны

в табл.

2.40—2.42

[S7j.

2.3.2. Тугоплавкие соединения и материалы

на их

основе.

тугоплавким

соединениям относятся такие

материалы, как карбиды, борнды, нитриды, силициды,

оксиды и другие, имеющие высокие температуры плав

ления

(или

разложения) и обладающие другими спе

6 C+S/,% цифичными

свойствами.

тугоплавности

Рис.

2.41. Зависимость

Если в качестве условной границы

принять температуру плавления

2773 К, то число со

модуля упругости при из

единений, которые могут быть отнесены к тугоплавким,

гибе от суммарного содер

жания

углерода и крем

составляет около 80.

то же время элементов, темпе

ратура плавления которых

превышает

2773 К,

насчи

ния

тывается всего шесть [1].

Температура плавления, плотность и температура перехода в хрупкое состояние

некоторых тугоплавких соединений приведены в табл. 2.43

по различным

литера

турным источникам. Помимо тугоплавкости карбиды, нитриды, бориды, оксиды и другие обладают целым рядом других замечательных свойств: широким спектром

Рис. 2.42. Зависимость предела прочности серого чугуна при растяжении от т0Л" щины стенки отливок

Т а б л и ц а 2.40. Марки и механические свойства серого чугуна (ГОСТ 1412—54)

Марка

МПа	н. МПа
	д

Стрела про
гиба при из
гибе при рас
стоянии		НВ, МПа	Марка
между опо
рами. мм
600	300		*
			it

МПа

С	НВ, МПа
<

с ч о о	120	Испытание не проводят				2290	СЧ21-40	210	400	1700...	2410
С 412-28	120	280	6	2	1430...	2290	СЧ24-44	240	440	1700...	2410
СЧ15-32	150	320		2,5	1630	2290	СЧ28-48 280		480	1700...	2110
СЧ15-32	150	320	8	2,5	1630	2290	СЧ32-52	320	520	1870...	2550
СЧ18-36	180	360	8	2,5	1700...	2290	СЧ35-56	350	560	1970...	2690
							СЧ38-60	3S0	600	2070...	2690
П р и м е ч а н и е .			Стрела прогиба при изгибе при расстоянии между опорами 000 мм рав
на 9 мм, при 300 мм— 3 мм.

электрических характеристик от сверхпроводимости до изоляционных свойств, вы сокой твердостью и износостойкостью, высоким модулем упругости, интересными эмиссионными и термоэлектрическими характеристиками, химической инертно стью по отношению к многим агрессивным средам, низкой скоростью испарения и .др. В то же время хрупкость тугоплавких соединений обусловливает их низкие термостойкоегь, ударную вязкость, трещиностойкость, прочность при растяжении, проявление эффекта масштаба и другие свойства, затрудняющие использование ту гоплавких соединений в качестве конструкционных материалов. Тем не менее зна чение тугоплавких соединении как конструкционных материалов, учитывая боль шой спектр их полезных свойств, непрерывно возрастает. Кислородосодержащие тугоплавкие соединения, оксиды отли чаются высокой огнеупорностью и при меняются для футеровки высокотем пературных печей, тиглей, изготовле ния деталей авиационных и ракетных двигателей, ядерных реакторов. Бес кислородные металлоподобные туго-

Рнс. 2.43. Зависимость предела прочности при сжатии от предела прочности при растяжении серого чугуна с пластическим графитом

Рис. 2.44. Зависимость предела прочности при изгибе ряда оксидов от температуры:

/ — ZTO,; I — шпинель MgOAl,0,; 3 „ корунд А1,0,; 4 — ВеО; 5 — MgO

13 3-1414

	Механические свойства
	(ГОСТ 1215—59)
Марка	0В, МПа	в, %	НВ, МПа
	0В, МПа	в, %	НВ, МПа	С
	не менее	не менее	не более	С
Ферритный ковкий чугун		6	1630	2,4...3,1
КЧЗО-6	330	6	1630	2,4...3,1
КЧЗЗ-8	330	8	1490	2,5...2,9
КЧ35-10	350	10	1490	2,4...2,8
КЧ35-10	350	10		2,4...2,8
КЧ37-12	370	12		2,2...2,5
Перлитный ковкий	чугун	6
КЧ45-6	450	6	2410
КЧ50-4	500		2410
КЧ50-4	500
КЧ56-4	560			2,2...3,1
КЧ60-3	600		2690
КЧ63-2	630		2690
КЧ63-2	630

• —

оо о

еа

0,9..Л,4

1,0..Л,5

0,7...1,5

плавкие соединения — бориды, карбиды, силициды, нитриды и халькогениды металлов — используются в качестве огнеупорных материалов (тиглей, нагрева телей высокотемпературных электрических печей, испарителей вакуумных устано вок и т. п.), твердых и износостойких материалов, электро- и радиотехнических ма териалов, высокотемпературных полупроводниковых материалов и т. д.

Бескислородные неметаллические тугоплавкие соединения, взаимные соедине ния неметаллов (карбиды и нитриды бора и кремния, соединения бора с кремнием)

Т а б л и ц а 2.42.		Основные характеристики отливок			из высокопрочного чугуна
с шаровидним графитом *
			Механические свойстра отливок **
Чугун	Ов,	МПа	<0,2 МПа	6. %	ад. МДж/м2	НВ, МПа

ВЧ45-0		450	360	—	—	1870...2550
ВЧ50-1.5		500	380	1,6
					0,15
ВЧ60-2		600	420	2		1970...2690

ВЧ45-5		450	330	5	0,2	1700...2070
ВЧ40-10		400	300	10	0,3	1560... 1970

*Для отливок конегрукцноного назначения массой до 10 т.

**Приведены минимально допустимые аначення характеристик.

«пользуются для изготовления абразивных инструментов, огнеупорных н полу проводниковых материалов.

Бескислородные интерметаллическиё соединения — бериллиды, германиды, алюминиды переходных металлов— используются-в качестве высокотемператур ных материалов в ракетостроении и ядерной энергетике.

На рис. 2.44 показано изменение предела прочности при изгибе некоторых окси дов [88]. В табл. 2.44 и 2.45 приведены некоторые данные по механическим свойст вам нитридов [88].

совкового чугуна

Содержание элементов, %
р	S	Сг
Мп

я• более

0,3...0,6	0,18	0,18	0,08
0,3.• .0,5		0,12	0,06

0,18

0,12

0,2

Структура

Ферритная металлическая ос нова и углерод отжига раз личной степени компакт ности

Перлитная или перлито-фер ритная металлическая осно ва н углерод отжига

Т а б л и ц а 2.43, Свойства некоторых тугоплавких соединений

					Температура		Температура
			Соединение		Температура	Плотность, г/см*	перехода в плас
			Соединение		плавления, К	Плотность, г/см*	тичное состояние,
								К
Оксид алюминия				(корунд)	2288	3,97		—
Оксид'хрома					2538	5,21		—
Двуоксид гафния					3050	9,68		—
Оксид		магния			3073	3,58.	1700...2000
Двуоксид			кремния		2000	2,32		—
Двуоксид			тория		3573	9,69		—
Двуоксид			урана		2553	10,96	1400... 1700
Двуоксид			циркония		2950	5,56		—
Карбид гафния ‘					4160	12,2		—
Карбид		ниобия			3773	7,82	1270... 1750
Карбид		тантала			4150	14,48	2000...2300
Карбид		титана			3413	4,25	1073... 1800
Карбид		кремния			2373	3,21	1200... 1500
Карбид вольфрама					3140	15,50		1500
Карбид		циркония			3803	6,70	1173...2470
Нитрид кремния					2173	3,18		—
Нитрид циркония					3253	7,35		—
Нитрид тантана					3363	15,86		____
Нитрид титана					3478	5,49		—
Силицид ниобия					2373	5,66		--
Силицид молибдена					2303	6,24		___
Силицид вольфрама					2438	9,25		—
Борид титана					3253	4,52		____
Борид	ниобия				3273	7,00		—
Борид	тантана				3373	12,62		—
П р и м е ч а н и е ,				Температура плавления, плотность'н температура аеренода				м а
некоторых модификаций; в литературе ветриаютоя и другие аиачеиня.

На рис. 2.45 показаны диаграммы деформирования при растяжении карбида циркония при высоких температурах с учетом влияния скорости деформации и вели чины зерна [88].,Важно отметить, что если при комнатной температуре и темпера турах, существенно более низких, чем температура плавления, пластичность карби да циркония, как и других тугоплавких соединений, близка к нулю, то при весьма

Т а б л и ц а

2.44.

Предел прочности

высоких температурах для него наблю-

даются

довольно

большие

остаточные

нитридов в зависимости от

температуры

деформации.

практического

использо

Помимо

Соединение

т, к

Ов>и. МПа

вания тугоплавких соединений в тех

нически чистом виде, тугоплавкие

сое-

диненйя

используются

для

создания

материалов

более

сложного

состава.

Si3N4*

293

160

Наибольшие

успехи

достигнуты

при

873

152

создании керамико-металлических ма

1173

145

териалов (керметов), в том числе твер

1473

147

дых сплавов и конструкционной кера

298

51...111**

мики.

Керметы

представляют

собой

спечеиныё материалы, сформированные

623

49...106

из керамики (тугоплавкого соединения)

973

13...27

и металла

или

металл нгеского сплава

1273

7...15

[51]. Тугоплавкие соединения

(керами

* Пористость образцов 30...32 %,

ки) придают керметам требуемые экс

Меньшие

значения относятся

к испыта

плуатационные

свойства:

твердость,

ниям

образцов,

вырезанных в направлении,

пер

жаропрочность

и износостойкость. Ме

пендикулярном

к направлению

горячего

прес

таллическая

составляющая

объединяет

сования образцов* большие— к параллельному.

твердые

частицы,

керамику,

в единый

Т а б л и ц а

2.45.

Изменение модуля

материал, обеспечивая

изделиям

необ

упругости нитридов в зависимости от

ходимую

прочность

пластичность.

температуры

Свойства

керметов

зависят от свойств

металла, керамики, объемного их соот

Соединение

Е, МПа

ношения и сцепления на границе

фаз.

По свойствам и назначению молено

выделить

следующие

основные

виды

керметов:

жаропрочные, высокоизносо-

Si3N4

293

47000

стрйкне,

высококоррозионностойкие,

573

48 600

со

специальными

электрофизическими

623

48 800

свойствами. Типичным

керметом явля

1123

47 600

ются так называемые твердые сплавы —

1223

47 200

материалы,

представляющие

комбина

1373

46 000

цию карбидов (в первую очередь

кар

BN*

298

86 500

бида вольфрама)

и металла

(в первую

очередь кобальта) и используемые в ка

623

61 500

честве материала режущего инструмен

973

10 800

та.

табл.

2.46

приведены

свойства

1273

11 600

некоторых твердых

сплавов [88].

BN**

298

34 400

Цифры в марках сплава WC—Со

623

24 300

показьшают

содержание в

массовых

973

3 600

процентах

кобальта,

марках

* Параллельно

направлению

горяч

WC—TiC—Со — содержание

карбида

прессования.

горя

титана и кобальта, в марках WC—TiC—

Перпендикулярно к направлению

ТаС—Со— суммарное содержание кар

чего прессования.

бидов титана и тантала и кобальта.

Обозначение В соответствует крупнозернистому сплаву, М — мелкозернистому.

Максимальная деформация сплава ВК6 при разрушении при сжатии

равна

1,1 /о, сплава ВКЗО — около 5 % [75]. Весьма важным для

оценки

работоспособ

ности режущих инструментов являются данные по изменению твердости в процессе нагрева, горячая твердость. Сравнительная оценка горячей твердости твердых спла вов и инструментальных сталей дана на рис. 2.46 [83].

В последние годы уделяется большое внимание создан но материалов на основе тугоплавких соединений, обладающих повышенной прочностью, однородностью

Рис. 2.45. Диаграммы деформации ZrC при растяжении:

G — влияние скорости деформации; *6 — влияние величины зерна

(бездефектностью) и некоторой пластичностью, которые можно было бы использо вать в качестве материала таких высоконапряженных детален, как лопатки газовых турбин, детали двигателей внутреннего сгорания и т. п. Такие материалы получили название конструкционной керамики. Некоторые данные по прочности при изгибе конструкционной керамики НКККМ, содержащей 60 % Si.,N4, 40 % S:C и 2 ?# (сверх 100 %) оксида магния и различной технологии изготовления приведены на рис. 2.47 [30J.

Т а б л и ц а 2.46,	Физико-механические свойства твердых сплавов
Группа	Сплав	0 Ü, МПа	HRA	V*. г/см1
WC—Со	ВК2	1 0 0 0	90,0	15,2
	в к з м	1 1 0 0	91,0	15,1
	ВК4	1300	89,5	15,0
	ВК4В	1350	8 8 , 0	15,0
	ВК6М	1300	90,0	14,9
	ВК6	1350	88,5	14,8
	ВК6В	1400	87,5	14,8

Продолжение табл. 2.46

Группа	Сплав	сгв.2МПа	HRA	V*. г/см3
Группа	Сплав		HRA	V*. г/см3
	ВК8	1400	87,5	14,7	\
	ВК8В	1550	86,5	14,5
	в к ю	1500	87,0	14,4
	ВК15	1650	86,0	14,0
	ВК20	1900	85,0	13,6
	ВК25	2000	85,5	13,0
	в к з о	2000	12,7	82,5
WC—ТЮ—Со	Т30К4	900	92,0	9,7
	Т15К6	1100	90,0	11,3
	Т14К8	1150	89,5	11,8
	Т5К10	1300	88,5	12,8
	Т5К12В	1500	87,0	13,1
WC—Ti—ТаС—Со	ТТ7К12	1550	87,0	13,2

С учетом того, что характеристики пластичности подобных материалов весьма иизкие, для оценки способности материала нейтрализовать влияние дефектов на прочность используют и другие характерис тики материала, основанные на учете его неупругости [29]. Характерной особенностью для многих материалов на основе тугоплав ких соединений являестя наличие максимума на температурной зависимости прочности, как это показано на рис. 2.48, где приведены данные для горячепрессованных материалов на основе карбида титана, карбида кремния и углерода [10]. Кривая 1 на этом рисунке соответствует материалу состава Ti — 69,2 %,

Ссум - 21,3 % , Si — 8,3 % , О - 0,2 %, ХР ОЛ %; кривая 2 — Ti — 71,9 %, С,сум

6,МПа НКККМ-дЗ

250\

ИКККИ-81

773 1273

Рис. 2.46. Зависимость твердости инструментальных материалов от температуры

Рис. 2.47. Температурные зависимости пределов прочности при изгибе конструкци онной керамики

36,8 % , О — 0,3 % ; кривая 3 — Ti — 69,5 %', Ссуи — 29,6 %, Si — 4,1 %. О — 0,3 % , W — 0,3 %; кривая 4 — Ti - 70 %, Ccyu — 19,7 %, О — 0,1 %.

Максимум прочности наблюдается при 2050...2300 К, который связан с перерас пределением напряжений в образце и с понижением роли концентраторов напря жения.

2.3.3. Углеграфитовые материалы. Материалы на основе углерода занимают промежуточное место между металлами и неметаллами и применяются в тех случаях, когда необходимо сочетание их свойств. Углеродистые материалы, подвергнутые

Т а б л и ц а 2.47. Типичные свойства угольного и графитового материала при комнатной температуры

			Материал
	Свойство	угольный	графитовый
		угольный	графитовый
Электросопротивление, Ом • см		0,0041	0,00102
Теплопроводность,	кал/(с • см • град) -	0,0124	0,310
Модуль упругости,	МПа	16 170	9140
Предел прочности при сжатии, МПа		52,70	35,10
Платность, гр/см®		2,1	2,26

высокотемпературной обработке (графнтизации), переходят полностью или частич но в состояние кристаллического графита. После графитизашш углеродистые мате риалы резко изменяют свои свойства, и такие материалы называются углеграфнтовыми. Сравнение некоторых фнзнко-механнческих свойств угольных и графитовых материалов дано в табл. 2.47. [133].

Углеграфитовые материалы обладают высокой огнеупорностью, инертностью по отношению ко многим расплавленным металлам, шлакам и другим коррозионным средам, имеют сравнительно высокую прочность. Низкий модуль упругости, высо кая теплопроводность и низкий коэффициент линейного расширения обеспечивают им высокую термическую стойкость и снижают до минимума возможность их рас трескивания при повышенных температурах.

В настоящее время разработаны различные технологии получения углеграфи товых материалов с различными механическими свойствами. Характеристики меха нических свойств таких материалов даны

в табл. 2.48 [123].

Прессованные углеграфнтовые материа лы получают прессованием из углеродных

Рис. 2.48. Зависимость предела прочности материалов на основе карбида титана от температуры

Рис. 2.49. Удельная прочность и жесткость волокон различных материалов:

J, У — стекловолокно; 3 — стальная проволока; 4 — алюмннкП; 5 — высокопрочное стекло волокно; 6 — волокно бора; 7 — высокомодульнос волокно; 8 — бериллия

порошков со связующим с последующей высокотемпературной обработкой. Стек» лоуглерод представляет собой сплошной неграфитизирующийся изотропный мате риал с равномерно распределенными замкнутыми шаровидными микропорами (диаметром около 25 А).

Пирографит получается осаждением из газовой фазы, может иметь структуру от полностью изотропной до близкой к монокристаллу. Углеродные волокна полу

Т а б л и ц а	2.48.	Механические свойства углеграфитовых			материалов
				Прочность	при	М одуль упругое-
	М атериал		П лотность, г/см*	растяж ении .		ти, /М О - 4 .
				МПа		М Па
Прессованный углеграфитовый			1,5...1,8	10...35		1,5
Стеклоуглерод			.1,5	20...40		2,5...3,5
Пнрографит	(анизотропный		2,2	100... 120		3...5
вдоль базисной		плоскости)
Углеродные	волокна		1,8...2,0	2000...3000		25... 70
Графнтовые	волокна		2,25	720 000		100

чаются путем карбонизации и высокотемпературной обработки искусственных и син тетических волокон или волокон из термореактивных смол с использованием про цесса термической вытяжки. Получаемое волокно имеет диаметр 8... 10 мкм и может быть изготовлено практически любой длины. По кристаллической структуре волок на аналогичны стеклоуглероду. Счедует принимать во внимание их четко выражен-

Т а б л и ц а		2.49.	Свойства углеграфитовых композиции
					Композиция
		Параметр		коксовая	графитовая	сажевая
				коксовая	графитовая	сажевая
Обгемная		масса г/см3		1,39... 1,81	1,52... 1,72	1,60...1,80
Предел прочности,			МПа			•
Предел прочности,			МПа	10...50	5...10	12... 20
при растяжении				10...50	5...10	12... 20
при	сжатии			40...200	20...40	50... 11
при	изгибе			25... 100	12... 25	20...50
Модуль упругости, МПа				3500... 12 500	6000... 9500	3400... 8500

ную структуру, а также несовершенную структуру кристаллитов п малый диаметр волокон (масштабный фактор).

Углеродные волокна используются для изготовления композиционных анизо тропных конструкционных материалов и изделий с ориентацией волоком в направ лении главных напряжений. Изделия получают намоткой волокон либо прессова нием пакетов тонких листов однонаправленных волокон, связанных с отвержденной

		смолой.	сопоставлены		характе
		На рис. 2.49
		ристики удельной	прочности	и жесткости
		углеродного волокна со свойствами дру
		гих волокон, используемых для изготовле
		ния композитов [123]. Как видно из рисун
		ка, углеродные волокна, благодаря своим
		высоким механическим свойствам и малой
		плотности, занимают исключительное по
		ложение в ряде современных		наполните
Рис. 2.50.	Относительное изменение	лей. Специфическими особенностями угле
		графитовых материалов являются повыше
прочности п модуля упругости угле		ние их прочности и небольшие повышения
родных материалов в зависимости от		модуля упругости с увеличением			темпера
температуры	испытаний	туры испытаний [123].

<<< < Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1920 / 2920 21 22 23 24 25 26 27 28 29 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги