В процессе эксплуатации

Виды разрушения металла	Примеры деталей, склонных к данному разрушению	Причина разрушения	Пути предупреждения дефекта
1	2	3	4
Деформация –искажение геометрической формы детали (изгиб, удлинение и т.д.)	Напряженные болты, тяги, рычаги, штанги, подшипники скольжения, поверхности катания бандажей, рельсов и др.	Длительное действие переменных контактных, растягивающих или сжимающих напряжений, повышение температуры	Использование материалов с высокими значениями s_т и HRC
Ползучесть	Лопатки, диски паровых и газовых турбин, трубы паропроводов, крепежные детали и др.	Напряжения выше предела ползучести при данной температуре и продолжительности работы	Снижение температуры (нагрузки). Применение более жаропрочной стали
Разрушение вязкое	Несущие элементы мостовых ферм и других пространственных конструкций, анкерные болты, валы, шатуны и др.	Значительные перегрузки вследствие нарушения условий эксплуатации	Соблюдение правил эксплуатации
Разрушение хрупкое	Детали строительных и дорожных агрегатов, кранов, сварных конструкций и др.	Эксплуатация при низких температурах, наличие исходных дефектов, высокий порог хладноломкости стали, наличие концентраторов напряжений, статическая и динамическая перегрузки	Применение сталей с низким порогом хладноломкости, высоким КСТ и К_1с, устранение концентраторов напряжений, соблюдение правил эксплуатации

Продолжение табл. 1

1	2	3	4
Разрушение усталостное	Валы, коленчатые валы, листовые рессоры, пружины, зубчатые колеса, шатуны и др.	Циклические напряжения свыше s_-1, наличие концентраторов напряжений, плохая обработка поверхности, работа в коррозионной среде, наличие на поверхности растягивающих напряжений	Улучшение конструкции детали, повышение качества поверхности, упрочнение поверхности химико-терми-ческой обработкой, закалкой, замена стали
Изнашивание абразивное	Гусеницы тягачей, открытые зубчатые передачи, детали подшипников и др.	Взаимодействие трущихся поверхностей с абразивными частицами	Наплавка износостойкими порошковыми сплавами ПР-Н80Х13С2Р
Эрозия	Детали гидронасосов, трубопроводы, плунжерные пары, сопла и лопатки реактивных двигателей, обшивки летательных аппаратов и т.д.	Воздействие потоков газов, жидкости, твердых частиц, космических потоков раскаленных газов на поверхность изделия	Замена стали
Изнашивание окислительное	Подшипники скольжения, валки оси, направляющие, кулисы, поршневые кольца и втулки	Длительное трение сопряженных поверхностей	Упрочнение поверхности, применение смазочного материала с износостойкими присадками, оптимизация температурного режима

Окончание табл. 1

1	2	3	4
Изнашивание при фреттинг-коррозии	Болтовые и заклепочные соединения, посадочные поверхности подшипников качения, листовые рессоры, шестерни, муфты, детали, находящиеся в подвижном контакте	Непрерывное разрушение защитной оксидной пленки в точках подвижного контакта	Увеличение жесткости соединения в площади контакта, использование материалов с высокой адгезией оксидных пленок, упрочнение улучшением, цементацией (нитроцементацией), азотированием, цианированием
Изнашивание усталостное	Зубчатые передачи, подшипники качения, рельсы, бандажи и др.	Пониженная контактная прочность материала, высокие контактные напряжения	Упрочнение поверхности химико-термической обработкой, закалкой, повышение чистоты поверхности, уменьшение контактных напряжений, применение смазочного материала

Отказ в работе детали зачастую зависит от многих факторов, действующих одновременно, и высокое качество детали может быть достигнуто при возможно полном учете тех особенностей, которые имеют место в процессе работы детали и определяют конструкционную прочность.

Конструкционной прочностьюматериалов называют комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия. Конструкционная прочность деталей зависит от качества материала, выбранного конструктором, конструктивных особенностей детали, технологии изготовления и условий эксплуатации.

При решении вопроса о выборе стали обычно рассматривается возможность применения нескольких марок и способов упрочнения. Это позволяет выбрать наиболее рациональный вариант, обеспечивающий наряду с высокими эксплуатационными свойствами детали хорошую технологичность при выполнении механической и термической обработки.

В зависимости от условий работы деталей машин их упрочнение достигается закалкой и отпуском, поверхностной закалкой или химико-термической обработкой, чаще цементацией или нитроцементацией с последующей закалкой и низким отпуском и реже азотированием.

Объемная закалка и отпуск. Объемную закалку с последующим низким или высоким отпуском для получения требуемых механических свойств широко применяют в машиностроении. Например, в машиностроении 35…40 % упрочняемых деталей подвергается объемной закалке и отпуску.

Получить высокую прочность обычных машиностроительных сталей (до 0,5…0,6 % углерода) можно путем объемной закалки и низкого отпуска. Однако повышение прочности (s_в , s_т) сопровождается уменьшением сопротивления хрупкому разрушению, о чем свидетельствует КСU, KCТ, К_1с , и порога хладноломкости. Чем выше содержание углерода в стали, тем ниже вязкость разрушения К_1с сталей со структурой отпущенного мартенсита.

Низкому отпуску (180…200 ^оС) подвергают детали машин, требующие по условиям работы высокой твердости (58…62 НRС), сопротивления износу и контактным нагрузкам в условиях статического или циклического их действия. В этом случае для изготовления деталей используют высокоуглеродистые легированные стали. Низкому отпуску подвергают и некоторые детали из конструкционных сталей, содержащих 0,35…0,45 % углерода и требующих высокой твердости 40…56 HRC.

Для изготовления нагруженных болтов, баллонов высокого давления, некоторых деталей шасси применяют высокопрочные стали 35ХГС, 40ХГСН3ВА, 35Х2АФ (s_В = 1800…2000 МПа, s_0,2 = 1500…1700 МПа, d = 10…12 %, y = 45…50), подвергающиеся объемной закалке и отпуску при температуре 200…250 ^оС. Высокопрочные низкоотпущенные стали чувствительны к концентраторам напряжений, водородной хрупкости анизотропии механических свойств. Для низкоотпущенных конструкционных сталей большое значение имеет отсутствие в них неметаллических включений, газов и вредных примесей. Чем чище сталь, тем выше предел выносливости s_-1 и пластичность стали.

2 Основы теории сплавов

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.

Если вариантность C = 0 (нонвариантная система), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе.

Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз, или закон Гиббса.

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится:

С = К – Ф + 1,

где С – число степеней свободы,

К – число компонентов,

Ф – число фаз,

1 – учитывает на возможность изменения температуры.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры. Пример диаграммы приведен на рис. 2.


а	в
Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки, соответствующие началу кристаллизации, называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными линиями являются линии ликвидус и солидус, а также линии, соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии.

По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно определить свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.