Какое влияние оказывает рабочая среда на свойства материала
7.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых—эксплуатационные, технологические и экономические.
Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.
Механические свойства, определяющие конструкционную прочность и выбор конструкционного материала, рассмотрены ниже (см. п. 7.2). Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.
Среда-жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которой работает материал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойства, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, вызывающим охрупчива-ние). Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в результате ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять рабочей среде, материал должен обладать не только механическими, но и определенными физико-химическими свойствами: стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью (окалиностой костью — устойчивостью к химической коррозии), радиационной стойкостью, влагостойкостью, способностью работать в условиях вакуума и др.
Температурный диапазон работы современных материалов очень широк от 269 до 1000 °С, а в отдельных случаях до 2500°С. Для обеспечения работоспособности при высокой температуре от материала требуется жаропрочность, а при низкой температуре—хладос тонкость.
В некоторых случаях важно также требование определенных магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).
Технологические требования (технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют возможные методы его обработки.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей-серы и фосфора (подробнее см. ниже). Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055% S и 0,045% Р, качественные – не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные – не более 0,025% S и 0,025 % Р, особовысококачественные— не более 0,015% S и 0,025% Р.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.
Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.
Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
При классификации стали но структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) аустенитные; 4) ферритные.
Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные — всех классов. Стали аустенитного класса образуются при введении большого количества (более точки Ь, см. рис. 3.20) элементов Ni, Мп, расширяющих у-область; стали ферритного класса-при введении элементов Сг, Si, V, W и др., расширяющих а-область (см. рис. 3.21).
При определенном легировании возможны частичная перекристаллизация (а+± у) и образование сталей промежуточных классов – полуферритных и полуаустенитных.
По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный, ферритный.
Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита (рис. 8.1, а). При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или троостита, в которой могут присутствовать также избыточные феррит или карбиды. К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых, широко применяемых сталей.
Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита (рис. 8.1,6); при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали.
Стали аустенитного класса из-за повышенною количества никеля или марганца (обычно в сочетании с хромом) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0°С и сохраняют аустенит при температуре 20-25 °С (рис. 8.1, в). Распад аустенита в перлитной и промежуточной областях отсутствует.
По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали с некоторой условностью можно разделить на стали нормальной (средней) прочности (σ~до 1000 МПа), повышенной прочности (σ~до 1500 МПа) и высокопрочные (σ ~ более 1500 МПа).
Источник
Важнейшим условием возможности использования материалов в любой конструкции является их совместимость с рабочей средой.
Коррозионная усталость, коррозия под напряжением, водородное охрупчивание, способствующие образованию и распространению трещин, могут приводить к хрупкому разрушению криогенных конструкций. Механические свойства материалов могут изменяться в результате совместного действия низких температур и радиоактивного облучения, что имеет место в условиях пузырьковых камер и физических установок, связанных с частицами высоких энергий.
Применительно к криогенным условиям эксплуатации особенно важную роль играет химическое воздействие низкокипящих продуктов на свойства конструкционных сталей и сплавов. Особую сложность проблема совместимости приобретает при выборе материалов для работы в контакте с жидким кислородом и другими менее распространенными окислителями на основе фтора, используемыми в жидкостных ракетных двигателях. Известно, что такие химически активные металлы, как титан и его сплавы, магниевые сплавы, при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться при контакте с жидким кислородом.
Отборочными испытаниями на совместимость с жидким кислородом могут быть испытания на ударное сжатие и на прокол падающим бойком находящейся под давлением диафрагмы [14]. У титановых сплавов в обоих случаях возникает активная реакция, алюминиевые сплавы активно реагируют с кислородом только при ударном нагружении, а медные сплавы и нержавеющие стали не вступают в реакцию при обоих видах испытаний.
Окислители на основе фтора (жидкий фтор, трехфтористый хлор) несовместимы с титановыми сплавами, но совместимы с нержавеющими сталями и еще лучше с монелем и подобными сплавами.
Во многих случаях совместимость с такими криогенными жидкостями, как метан, изучена недостаточно и требует тщательного исследования при выборе материала.
Учитывая, что кислород относится к числу наиболее распространенных криогенных жидкостей, важную роль играет оценка условий, при которых металлы могут загораться в среде кислорода.
Министерство химического машиностроения на оборудование, работающее с газообразным кислородом, рекомендует значения предельного давления кислорода, при котором возможно возгорание металлических материалов толщиной 5 мм при температуре 293 К (табл. 3.4).
С увеличением содержания хрома и никеля в стали возрастает допустимое давление кислорода в системе.
При контакте с жидким кислородом вероятность возгорания ниже, чем в случае газообразного кислорода.
В тех криогенных установках, в которых вакуум используется в качестве изоляции, необходимо знать газовыделения металлов в вакууме в процессе длительной эксплуатации. Обеспечение вакуума в таких конструкциях является условием их нормальной работоспособности.
Важную роль играет водородное охрупчивание металлов. Водородное охрупчивание обусловлено либо присутствием водорода в контакте с металлическими материалами, либо водородом, растворенным в стали.
Растворимость водорода уменьшается при понижении температуры. Водород, поглощенный при повышенных температурах, становится избыточным при охлаждении. Если водород не успевает выделиться из металла за счет диффузии, он может скапливаться в порах и трещинах, где происходит ассоциация атомарного водорода в молекулярный с выделением энергии и в некоторых случаях даже с образованием пузырей.
Водородное охрупчивание особенно опасно для титановых сплавов, способных к растворению больших количеств водорода. При контакте с титановыми сплавами могут образовываться химические соединения – хрупкие гидриды, которые легко разрушаются под действием приложенной нагрузки, инициируя трещины.
ТАБЛИЦА 3.4
Условия применения металлов и сплавов в кислородном оборудовании
Материал | Давление кислорода, МПа, при скорости потока, м/с | ||
до 0,5 | свыше 0,5 | ||
Стали углеродистые и легированные | 0,64 | 0,64 | 0,64 |
Чугун | 3,20 | 0,80 | 0,40 |
Нержавеющие стали типа 12Х18Н10Т, 30X13 | 16,0 | 4,00 | 2,00 |
Алюминиевые сплавы типа AM, АМц, АД1 | 3,20 | 0,64 | 0,40 |
Медь, никель и сплавы на их основе | 42,00 | 42,00 | 42,00 |
Водород оказывает влияние на докритический рост трещин, который происходит в среде водорода при меньшем коэффициенте интенсивности напряжений и со значительно большей скоростью, чем в обычных условиях. Металл охрупчивается диффузионно-подвижным атомарным водородом в результате его диффузии к зонам концентрации растягивающих напряжений. Это может приводить к образованию и скачкообразному росту трещин.
Источник
С первой частью и причинами появления этого материала можно познакомится в прошлой публикации.
А в этой затрону такие понятия как прочность, жесткость и устойчивость.
—————————————–
Понятия: прочность, жесткость и устойчивость являются очень важными при конструировании мебели. Далее я рассмотрю их по возможности ясно и просто. На примерах постараюсь показать где это встречается на практике. И начну с понятия прочность.
Возьмите, например, полоску бумаги и попробуйте порвать её, просто потянув руками в разные стороны.
А теперь попробуйте порвать ту же бумажную полоску по другому, сблизив пальцы и потянув одну руку к себе другую от себя.
Почувствовали разницу?
Так вот понимание того, почему так происходит позволяет делать нам различные вещи прочными или не очень прочными. И делать это по собственному желанию. То есть возрастает предсказуемость и контроль результата. Попробую наглядно объяснить что же это такое. Представьте себе,что любой материал состоит из множества маленьких ниточек.
И когда мы пытаемся порвать его первым способом. Мы разрываем все ниточки одновременно.
А вторым одну за другой.
Вспомните материалы с которыми мы сталкиваемся каждый день. Дерево, металл, стекло, пластмасса. Каждый имеет свои свойства: плотность, гибкость, мягкость, твердость, хрупкость, эластичность и прочность.
При конструировании мебели чаще с этим понятием сталкиваемся при крепеже. Ведь щитовая мебель чаще всего собирается на шурупы, а не гвозди. Шуруп он каждым своим витком цепляется за материал и «ниточек» его удерживающих имеется множество, а у гвоздя одна.
Хотя в случае с гвоздями… когда задник из ДВП прибивают к панелям. Прибейте его на два гвоздя и легко оторвете, а прибейте на 10-20, придется очень постараться оторвать.
Что касается жесткости, она в основном определяется трехмерностью конструкции.
Кроме этого важное значение имеют направление и сила воздействия на нашу конструкцию. Здесь можно посмотреть на примере кухонных шкафов.
Возьмем нижнюю тумбу. Я в своей практики всегда ставил стойки тумбы на дно. Поясню почему так. Вес столешницы, полок, того что находиться на столешницах и полках передается на стойки. Они в свою очередь передают этот вес на дно, а затем на ножки и пол. (рис 1)
В случае когда дно вкладывают между стоек, весь вес стойки передают посредством крепежа только на малую часть дна. Очевидно, что при значительной нагрузке или при временном резком повышении такой нагрузки( кто-то прыгнул, упало что-то тяжелое) крепеж может выломать. Конечно, когда модулей несколько и они стянуты, и под цельной столешницей, то вероятность того, что крепеж выломает очень низка. (рис 2)
Посмотрим на верхний шкаф. Все полки, дно и крыша делаются вкладными. Нагрузка также вся сосредоточена на стойках. Но посмотрите куда эта нагрузка направлена. Каждая полка и то, что лежит на полках, давит только на свой крепеж. А все вместе через стойки передается на навеску шкафов.
В общем когда мы конструируем различные вещи стоит посмотреть какая нагрузка и с какой стороны действует на нашу вещь.
Перейдем к устойчивости.
Однажды ко мне пришел заказчик, чтобы заказать обычный двустворчатый шкаф под одежду. Два метра высотой, один метр шириной и 50 сантиметров глубиной. И все бы ничего, но он попросил сделать дверки из ЛДСП и во весь их размер зеркала. Я спросил его, что он будет класть вниз шкафа. Он мне ответил: разные коробки, обувь. Пришлось объяснить ему, что при таких размерах дверей и такой загрузке шкафа, при открытии дверок шкаф будет падать так как вес дверей вместе с зеркалами больше веса шкафа. Заказчик был несколько удивлен этим обстоятельством, но согласился с моей рекомендацией закрепить шкаф к стене.( в этом случае шкаф бы не падал).
Давайте посмотрим от чего же зависит устойчивость предметов. Возьмем к примеру относительно однородный предмет — кирпич.
На рисунке слева показан кирпич, который не упадет, справа, который упадет. Я думаю понятно почему.
В первом случае основная масса кирпича не выходит за пределы плоскости на которую кирпич опирается, во втором же выходит. Я не просто так упомянул об однородности предмета, ведь в различных конструкциях основная масса предметов может находиться в разных частях. Например, в том шкафу о котором я рассказывал выше, масса сосредоточена на передней части шкафа и при открытии дверок она перемещалась далеко за пределы плоскости, на которую опирается шкаф. И можно обеспечить устойчивость такого шкафа, положив на его дно какие-либо тяжелые предметы (они должны быть тяжелее дверок).
Вспомните также детскую игрушку «неваляшку», она возвращается в исходное положение только потому, что основная масса игрушки сосредоточена внизу и дно имеет шарообразную форму.
Рассмотрим еще примеры устойчивости-неустойчивости.
Высокий табурет или барный стул. Если площадь опоры этого стула равна площади сиденья, стул будет легко уронить, если наоборот, он будет устойчивым.
Другой пример. Комод со множеством ящиков. Ведь не случайно верхние ящики делают поменьше размером, так как если верхний ящик будет таким же как нижний, при выдвигании, если он достаточно нагружен, будет перевешивать общий вес комода.
В итоге для обеспечения устойчивости конструкций нужно добиться, чтобы основная масса находилась внизу , а сама конструкция имела достаточно большую площадь опоры.
Как Вы поняли все вышеприведенные рассуждения основаны на здравом смысле. Поэтому не стесняйтесь использовать свои здравые суждения относительно конструирования. Успехов Вам.
————————————–
Спасибо что дочитали. Буду рад вашей поддержке в виде лайка и подписки на канал. И смотрите другие публикации на канале.
Александр.
P.S. Приглашаю также на свой сайт.
Источник
Общеизвестно, что свойства материалов зависят от температуры. Еще в древнейшее время создание рабочего или боевого оружия человек связывал с нагревом металла и обработкой ковкой. На свойства конструкционных материалов оказывают влияние также и многие другие факторы, например скорость изменения усилия, приложенного к образцу. В предыдущих параграфах приведены результаты испытания материала при комнатной температуре (20°С) и в условиях относительно малой скорости роста деформации.
Современным конструкциям приходится работать в весьма тяжелых эксплуатационных условиях. Диапазон температур может изменяться от глубокого холода до температур плавления. В широких пределах изменяются скорости нагружения и время действия внешних сил. Комплексное изучение влияния на конструкцию названных выше факторов весьма сложно. Следует также отметить и то, что в различных интервалах изменения эти факторы могут оказывать различное влияние на свойства конструкционных материалов. В качестве примера на рис. 2.18 показаны графики зависимостей свойств малоуглеродистой стали от температуры.
Рис. 2.18. Зависимости механических свойств малоуглеродистой стали
от температуры
Анализируя графики, можно отметить, что до температуры, равной примерно 300°С, модуль упругости первого рода Е практически не изменяется, а при дальнейшем повышении температуры уменьшается. Что же касается характеристики пластичности материала 8, ее величина монотонно снижается приблизительно до 200°С. При дальнейшем увеличении температуры материал не только восстанавливает пластические свойства, но и становится более пластичным. Предел прочности до температуры 220°С растет, в дальнейшем же резко уменьшается. Примерно такое же поведение характерно и для предела текучести.
Для легированных сталей модуль упругости первого рода, пределы прочности и текучести при росте температуры уменьшаются монотонно, в то время как характеристики пластичности, наоборот, монотонно растут.
С течением времени в конструкционных материалах возможно самопроизвольное изменение напряжений и деформаций. Такое поведение в зависимости от условий нагружения носит название ползучести или релаксации напряжений.
Ползучесть имеет место в сталях при высокой температуре, но для некоторых материалов, например для бетона, ползучесть дает о себе знать также в условиях обычной температуры. При расчетах на ползучесть и релаксацию в качестве механических характеристик материала используются предел длительной прочности и предел ползучести.
Пределом длительной прочности называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения.
В качестве промежутка времени до момента разрушения выбирается срок службы детали, который может составлять от десятка часов до десятков лет.
Пределом ползучести называется такое напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданной величины за установленное время, определяемое служебным назначением материала.
Пределы длительной прочности и ползучести сильно зависят от температуры и при ее увеличении существенно уменьшаются.
Релаксация, образно говоря, является обратной стороной медали для ползучести и проявляется как самопроизвольное уменьшение напряжений при неизменной величине деформации. Ползучесть и релаксация имеют в своей основе один и тот же механизм реализации. Релаксация часто возникает в конструкциях, которые работают в условиях высоких температур. Например, в таких конструкциях крепление болтов со временем ослабевает.
Поведение материала существенно зависит от скорости приложения нагружения. С увеличением скорости деформации все пластичные материалы обнаруживают тенденцию к увеличению сопротивления деформированию. Это объясняется тем, что с увеличением скорости нагружения пластические деформации не успеют распространиться вдоль всего объема образца, поэтому материал становится более хрупким. В то же время при динамическом нагружении наблюдается рост прочностных характеристик материала. На рис. 2.19 представлены диаграммы растяжения малоуглеродистой стали при низкой (1) и высокой (2) скоростях нагрузки. Кривая 2 располагается существенно выше кривой 1, при этом модуль упругости практически не изменяется.
Рис. 2.19. Диаграммы растяжения пластичного материала при различных скоростях нагружения
Источник