Основные виды потери работоспособности металлических конструкций

Машиностроение предъявляет весьма высокие требования к качеству изготовляемых изделий и прежде всего к их прочности, понимаемой в широком смысле как сопротивление деформированию и разрушению. Эти требования обусловлены все возрастающей напряженностью условий работы деталей машин. При расчете деталей на прочность исходили из модели сплошного твердого тела, обладающего совершенной структурой, а для изготовления их рассчитывали использовать простые по составу материалы (например, углеродистые и низколегированные стали), отличающиеся высокой технологичностью. В современных же агрегатах значительная часть деталей подвергается длительным статическим нагрузкам при повышенных температурах или повторным нагрузкам (в том числе и знакопеременным) при нормальных и повышенных температурах или же работает в условиях воздействия на них агрессивных сред, резких тепловых ударов или радиоактивного излучения. Для изготовления таких деталей требуются высокопрочные, жаропрочные, кислотоупорные металлические и неметаллические материалы: стали, сплавы, пластические массы, обладающие повышенными специальными свойствами (пределом прочности, длительной прочностью, пределом ползучести, пределом выносливости, сопротивлением термической усталости, коррозионной стойкостью и т.д.).

Стали и сплавы, удовлетворяющие этим требованиям, как правило, отличаются сложным составом и характеризуются более низкими технологическими свойствами, что весьма затрудняет изготовление из них изделий, а в ряде случаев при водит к необходимости создания новых технологических процессов для придания им необходимых формы и свойств.

Требование сочетать указанные выше свойства с малой массой изделия обусловило применение составных конструкций, например из металлических и неметаллических материалов, соединенных склейкой и пайкой.

Методы расчета деталей, работающих в тяжелых условиях нагружения, на прочность значительно сложнее, особенно это относится к расчетам деталей авиационной и ракетной техники, поскольку в этих случаях конструктор, стремясь в максимальной степени облегчить изделие, исходит из минимального запаса прочности.

Например, для основных деталей авиационных двигателей (коленчатый вал, шатун, лопатки и диск турбины и компрессора) минимальный запас прочности 1,3... 1,5, в то время как в общем машиностроении и строительной практике он доходит до 10... 15.

Как известно, теоретические значения прочности металла, рассчитываемые по величине энергии, затрачиваемой на образование двух новых поверхностей при преодолении межатомных связей в идеальной решетке монокристалла, во много раз выше значений «технической» прочности, получаемых при испытании реальных образцов того же металла.

Так, для чистого железа теоретическое значение прочности > 10000 МПа, а техническое -250 МПа. Это расхождение объясняется наличием различного рода дефектов-несовершенств строения кристаллического тела, влияние которых на свойства этого тела столь значительно, что современную физику твердого тела часто определяют как физику дефектов. К таким дефектам - несовершенствам тонкой структуры - относят прежде всего дислокации, т.е. особые зоны искажений атомной решетки, содержащиеся в реальных кристаллах в огромных количествах (порядка 10⁸/ см²).

К дефектам более грубого порядка относят субмикроскопические трещины, по размерам не превышающие предела разрешения оптического микроскопа (:50,2 мкм). Такие

трещины, согласно гипотезе Гриффитса, могут образовываться по границам блоков кристалла в процессе его роста, а также появляться в результате приложения напряжений.

В реальном металле - поликристаллическом теле - встречаются еще более грубые дефекты, например, микроскопические трещины размерами >0,2 мкм. Такие трещины возникают на поверхности стальных деталей в процессе их механической обработки или эксплуатации.

Несмотря на незначительную (порядка нескольких микрометров) глубину, эти трещины резко снижают прочность детали (особенно при работе в условиях сложного напряженного состояния или воздействия поверхностноактивных сред), ускоряя ее разрушение. Удаление поврежденного поверхностного слоя механически (зачисткой тонкой шкуркой, пескоструйной обработкой) или электролитическим растворением существенно повышает прочность детали.

Наиболее грубыми являются микроскопические, видимые в ряде случаев невооруженным глазом дефекты, представляющие собой различного рода нарушения сплошности или однородности металла. Эти дефекты могут стать причиной особенно сильного снижения прочности детали и ее разрушения. С увеличением размеров детали вероятность наличия дефектов возрастает, поэтому реальное снижение прочности на крупногабаритных деталях проявляется более заметно (масштабный фактор).

Наиболее детально влияние дефектов на работоспособность конструкций изучено для изделий, выполненных сваркой. В большинстве случаев степень влияния того или иного дефекта на работоспособность конструкций устанавливают экспериментально: испытаниями образцов с дефектами.

При сдаче конструкции в эксплуатацию прежде всего оценивают допустимость наличия наружных дефектов. Значения их допустимости, как правило, указаны в технических условиях на изготовление конструкции и зависят от условий ее эксплуатации.

Билет №10