18.4. Способы повышения конструкционной прочности

Среди причин, вызывающих различия между прочностью материала и прочностью деталей, можно выделить:

- масштабный фактор;

- концентрация напряжений;

- различия в остаточных напряжениях;

- различия в анизотропии свойств;

- различия в среде;

- различия в жесткости детали и образца;

- различия в состоянии поверхности;

- различия в режиме и времени нагружения.

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

Современные методы повышения прочности материала основаны на создании такого структурного состояния, которое обеспечивает максимальную блокировку дислокаций. К методам такого упрочнения относят легирование, пластическую деформацию, термическую, химико-термическую и термомеханическую обработку. Эти методы упрочнения позволяют:

- повысить плотность дислокаций до уровня 10¹⁰ см^-2, когда еще не наблюдается неравномерность их распределения, приводящая к образованию трещин;

- создать дислокационные барьеры в виде границ зерен, субзерен, дисперсных выделений вторичных фаз.

- измельчить зерно, повышая прочность с одновременным повышением ударной вязкости в соответствии с выражением Петча-Холла:

где σ_т – предел текучести, σ₀ – напряжение движения свободной дислокации (МПа), K – коэффициент, характеризующий прочность блокирования дислокаций, d – диаметр зерна (мм). В результате трещина при движении чаще будет менять направление;

- образовать поля упругих напряжений вблизи точечных дефектов и облака точечных дефектов.

Однако повышение прочности такими методами снижает пластичность и вязкость, а вместе сними и надежность.

Проблема повышения конструкционной прочности состоит не только в повышении прочностных свойств, сколько в том, чтобы при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению. Так для сталей 40-60 с помощью закалки и низкого отпуска можно получить предел прочности σ_в = 2500 МПа, но КСТ = 0.

Поэтому надежность обеспечивается методами, формирующими состояние эффективного торможения дислокаций с их равномерным распределением по объему, а если возможно, то и с определенной подвижностью дислокаций, скопившихся у барьеров.

Второй путь, способствующий повышению надежности это: рациональное легирование, измельчение зерна, повышение металлургического качества, удаление вредных примесей и газов.

Повышение циклической прочности и износостойкости осуществляют методами поверхностной обработки: поверхностной закалкой, химико-термической обработкой, поверхностным наклепом.

Конструкторские методы предусматривают обеспечение равной прочности детали за счет избавления от надрезов и резких переходов, а при невозможности таких способов, локальное упрочнение за счет напряжений сжатия. Эффективно задерживают трещины сварочные швы.

Принципиально иной способ повышения конструкционной прочности использован в композитах из мягкой матрицы и высокопрочного наполнителя. Наполнитель воспринимает всю нагрузку, как арматура, в отличие от дисперсно-упрочняемых материалов, где основной носитель нагрузки – матрица. В этом случае матрица служит для передачи и распределения нагрузки. Хрупкая трещина, разорвавшая волокно арматуры «вязнет» в пластичной матрице.

Наряду с методикой разработки равнопрочных конструкций целесообразно применять заведомо неравнопрочную деталь, поломка которой не вызовет разрушения всего агрегата при перегрузке, а остановит его.

Так накладывают на несущую деталь образец не несущей конструкции, разрушение которого говорит о перегрузке или введении в конструкцию «выключателя», поломка которого отключает агрегат.

К общим правилам рационального конструирования можно отнести:

- увеличение радиусов загибов, применение скошенных или зигзагообразных соединений, обеспечение гладкости кромок, ликвидация резких переходов жесткости;

- защита поверхности от коррозии и активных сред, от локального упрочнения (желательно избегать применения деталей в местах локально высоких напряжений).

Также необходимо:

- обеспечивать при работе восстановление качества поверхности;

- использовать полезные сжимающие напряжения на поверхности;

- уменьшать температурные колебания и градиенты, не допускать плотное соединении деталей с разными коэффициентами теплового расширения;

- уменьшать долю растягивающих напряжений, учитывать текстуру материала;

- максимально уходить от резонансной частоты вынужденных и собственных колебаний.