Высокопрочного состояния

При упругом упрочнении системе заранее придают' Деформации, противоположные деформациям при рабочем нагруженйи. Классическим примером этого способа упрочнения являются шпренгельные балки (рис. 270, а). В систему вводят т ел з о р ы 1 — стержни из высокопрочного материала. Натягивая стержни, в балке создают предварительные напряжения (рис. 270,6) на стороне, ближайшей к стержням — напряжения сжатия (—),^а на противоположной стороне — напряжения растяжения {+). Приложение рабочей нагрузки Fp;,G вызывает напряжения обратного знака (рис. 270,-е). Сложение предварительных и рабочих напряжений существенно уменьшает конечные напряжения в балке (рис, 270, г). Напряжения растяжения в стержнях возрастают. * ,

Жесткость скрепленных станин можно сколько угодно повысить снижением напряжений в ленте путем увеличения числа слоев ленты, но в таком случае применение высокопрочного материала теряет смысл.

вставляются испытуемый образец 1 с трещиной и вспомогательный образец-вставка 3, изготовленный из высокопрочного материала, например из стали У8 (рис. 8.14). Для охрупчивания образца-вставки рекомендуется на его поверхности наносить концентратор — кольцевой надрез. При проведении испытаний для динамического нагружения образца 1 используется энергия, накопленная в силовых элементах испытательной машины, которая выделяется в момент разрушения вставки. Подбирая материал и размеры образца-вставки, можно изменять величину энергии, подводимой к испытуемым образцам. Отмечается, что данная испытательная система отличается большей виброустойчивостью, чем маятниковые копры. Динамическое нагружение компактных образцов может осу-, ществляться за счет резкого удара по клину, расположенному в полости образца (рис. 8.15). Существуют две разновидности этого метода: нагружение поперечным и нагружение продольным клином.

Сравнительно эффективным материалом заполнителя (сердцевины) является фанера (дугласова пихта), широко используемая в слоистых панелях контейнеров, Она в известной степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалам сердцевины, эксплуатационные характеритики ее хорошо изучены на практике. Однако это не идеальный материал. Ее плотность зависит от содержания влаги (около 0,58 г/см3). Масса 1 м2 сердцевины композиционных панелей стеклопластик — фанера составляет около 1030 г. Модуль упругости фанеры (1370 кгс/мм2) превышает модуль упругости материала, идеально подходящего для применения в сочетании со стеклопластиком; это приводит к тому, что возникающие в сердцевине напряжения могут превысить уровень, который способна выдержать фанера. При испытании панелей стеклопластик — фанера установлено, что критические изгибающие нагрузки в большинстве случаев приводят к повреждению фанерной сердцевины, а не покрытия. Можно показать, что свойства фанеры являются промежуточными между свойствами идеального материала для сердцевины и высокопрочного материала. В слоистой композиции наиболее эффективно сочетание фанеры с покрытием из алюминия и стали.

В ковалентных кристаллах подвижность дислокаций при низких температурах ограничена большими значениями напряжений Пайерлса. Так, для Ge и Si было установлено, что существенная пластическая деформация и заметная подвижность дислокаций обнаруживаются при Т > 0,4 Тпл [1,2]. Теория термоактивационного движения дислокаций в поле напряжений разработана недостаточно, и, как показано в [3, 4], имеются существенные различия между ее выводами и экспериментами. Поэтому необходимы дальнейшие исследования закономерностей деформации ковалентных кристаллов, в том числе и алмаза. Несмотря на широкое применение алмаза в технике в качестве сверхтвердого высокопрочного материала, такие его исследования до настоящего времени не были проведены. Актуальность исследования алмаза в широком температурном интервале связана также с тем, что при нулевых давлениях алмаз является метастабильной модификацией углерода, и поэтому особый интерес представляет изучение влияния графитизации на механические свойства алмаза.

Виброструна — это проволока из высокопрочного материала обычно круглого сечения, которая вибрирует с первой собственной частотой. Она изменяется, если изменяется напряжение струны (например, в результате изменения длины) (рис. 3.55, а). В соответствии с [15] •

В ряде случаев, когда не предъявляется повышенных требований к объемной прочности деталей машин, но необходима высокая поверхностная их прочность, хороший эффект дает технологическое упрочнение поверхностного слоя детали. Деталь, изготовленная из более дешевого материала и подвергнутая поверхностному упрочнению, по своей износостойкости оказывается равной детали, изготовленной из высокопрочного материала, а иногда даже превышает ее.

Струнный резонатор — проволока из высокопрочного материала, .которая колеблется на первой собственной частоте поперечных колебаний. Связь частоты поперечных колебаний струны с величиной нормальных напряжений в ней определяется зависимостью

Несмотря на то, что наиболее рациональной формой маховика как аккумулятора энергии является диск равной прочности [1, 4], наиболее перспективной формой его следует считать, по-видимому, тонкий обод, так как это позволяет изготовлять его из наиболее прочных волокнистых или слоистых материалов — лент [2], волокон из материалов с высокой удельной прочностью [3]. Подобные маховики способны накопить, согласно расчету, энергию, соизмеримую с полезной энергией горючего даже без учета веса двигателя внутреннего сгорания. Между тем, прочностно-энерге-тический расчет таких маховиков, производимый обычными методами, дает большую погрешность, связанную со значительным удлинением высокопрочного материала при нагружении. Этому способствует как высокая прочность волокон, так и малый модуль упругости некоторых из них (например, изготовленных из волокна SiO2). Удлинение обода маховика вызывает изменение момента инерции, а следовательно, и запаса энергии IB нем, что ведет к дальнейшему возрастанию напряжений и т. д.

При дальнейшей.подаче в корпус гидроцилиндра масло, двигаясь вправо, сжимает уплотнительное кольцо между втулкой и торцом цанги и уплотняет трубу. Цилиндр 1 начинает двигаться по скалкам 13 вправо, сжимая пружины 14. При этом кольцо 11 упирается в трубу и пружины несколько сжимаются. Зажим Цанги и движение цилиндра происходят одновременно, что обусловливает фиксацию трубы, ее зажим и уплотнение. Преимущество таких заглушек заключается в обеспечении высокой надежности уплотнения при восприятии осевых усилий от испытательного давления непосредственно трубой. Недостатками являются сравнительная сложность конструкции и необходимость изготовления деталей 5—7 из коррозионно-стойкого и высокопрочного материала. В связи с этим заглушки такой конструкции целесообразно применять на стендах при гидроиспытаниях труб для изготовления теплообменной аппаратуры.

При упругом упрочнении системе заранее'придают деформации, противоположные деформациям при рабочем нагружении. Классическим примером этого способа- упрочнения являются шире нге льны е балки (рис. 270, а). В систему вводят тензоры!— стержни из высокопрочного материала. Натягивая стержни, в балке создают предварительные напряжения (рис. 270,6) па стороне, ближайшей к стержням — напряжения сжатия •(—), а на противоположной стороне — напряжения растяжения (+). Приложение рабочей нагрузки Рр.л5 вызывает напряжения обратного знака (рис. 270, в). Сложение предварительных и рабочих напряжений существенно уменьшает конечные напряжения в балке (рис. 270, г). Напряжения растяжения в стержнях возрастают.

Приведенные данные показывают, что природа высокопрочного состояния стали, подвергнутой ТМО, является весьма сложной, а механизм упрочнения зависит от воздействия комплекса структурных факторов, главными из которых являются следующие:

С практической точки зрения особый интерес имеет достижение высокопрочных состояний в наноматериалах, которые удается получить, например, в метастабильных сплавах. Приведенные выше результаты показывают, что ИПД закаленных алюминиевых сплавов также приводит к формированию наноструктуры, но процессы старения в наноструктурных сплавах имеют ряд отличий от крупнокристаллических образцов [347]. В частности, в наноструктурном сплаве 1420 наблюдается формирование наиболее высокопрочного состояния, а также происходит ускорение процессов старения. Другой особенностью наноструктур в алюминиевых сплавах является образование новых метастабильных фаз. Например, в несмешиваемом сплаве А1-11 %Fe, подвергнутом ИПД, выявлено растворение 0,89 ат. % Fe в алюминиевой матрице, что приводит к существенному повышению прочностных свойств сплава в результате выделения дисперсных фаз при последующем старении.

В последние годы развивается направление по созданию высокопрочных материалов путем управления характером, числом и распределением несовершенств в металле, которые могут быть созданы при применении пластической деформации. Одним из способов создания высокопрочного состояния является термомеханическая обработка, при которой комбинированным воздействием на материал операций деформации, нагрева и охлаждения создается оптимальная дислокационная структура стали [69—72].

При сравнении этих двух схем следует отметить: а) ВТМО является более легкой для технологич. осуществления, к тому же может быть использовано тепло ковочного или прокатного нагрева; НТМО предусматривает перенос изделий в различные печи, проведение изотермич. выдержек и осуществление наклепа в условиях повышенного сопротивления аустенита пла-стич. деформации при темп-pax промежуточной области, б) НТМО можно подвергать только стали с повышенной устойчивостью аустеиита, тогда как при проведении ВТМО таких ограничений практически не существует, в) НТМО обеспечивает получение более высокой прочности в связи с отсутствием рекристаллизации при темп-ре деформации; при ВТМО, по-видимому, протекают в ряде случаев начальные стадии рекристаллизации, что приводит к получению более низких значений прочности, но позволяет достигнуть большего запаса пластичности, имеющего в ряде случаев высокопрочного состояния (внезапные перегрузки, сложное напряженное состояние и т. п.) решающее значение.

Элементарные акты диффузии имеют определяющее значение для сохранения стабильности заданной структуры. Последняя, как правило, отвечает метастабильному состоянию жаропрочного сплава. Термически активируемые процессы, усиливаемые воздействием поля напряжений, в конце концов разрушают заданную структуру. Скорость процессов рекристаллизации, коагуляции и растворения фаз, приводящих к разупрочнению сплава, определяется скоростью диффузии. Процессы диффузии определяют кинетику всех стадий старения и, следовательно, диффузия, с одной стороны, организует структуру высокопрочного состояния, а с другой — приводит к ее разрушению.

Как правило, получение высокопрочного состояния связано с получением метастабильной структуры с высоким уровнем микроискажений, высокой плотностью дефектов кристаллического строения и, следовательно, повышенной склонностью к протеканию диффузионных процессов Это необходимо учитывать при осуществлении технологических операций на изделиях из высокопрочных сталей, при которых возможно насыщение детали водородом (например, электролитическое травление) и появление водородной хрупкости

Одним из способов получения высокопрочного состояния является деформационное старение мар т е н с и т а Закаленная и низкоотпущенная сталь (до 300 °С) подвергается деформации с небольшой степенью до 5—10% и старению (отпуску на ~50° ниже перво го) Деформация на изделиях большего сечения может быть осуществлена волочением, однако более пред почтительным видом деформации является — гидроэкструзия — всестороннее сжатие жидкостью высокого давления, повышающая пластичность стали при обработке На рис 139 приведены данные о механических свойствах сталей 40Х5МФ и ЗОХ2АФ после деформационного старения мартенсита по сравнению с закаленным и низкоотпущенным состоянием (при е=0) В результате гидроэкст рузии прирост временного сопротивления и предела теку чести составляет 300—500 МПа Наиболее интенсивно ха рактеристики прочности возрастают до степени деформа ции 3—4 %, а затем практически не увеличиваются

Среднеуглеродистые комплексно-легированные низкоотпущенные стали. После закалки и низкого отпуска уровень прочности стали определяется содержанием углерода и практически не зависит от присутствия легирующих элементов. Увеличение содержания углерода до 0,4 % повышает временное сопротивление до 2400 МПа, но углеродистая сталь имеет полностью хрупкое разрушение. Необходимый запас вязкости при такой или несколько меньшей прочности достигается совокупностью мероприятий, главные из которых направлены на подбор рационального состава стали, получение мелкого зерна, обязательного для высокопрочного состояния, повышение металлургического качества металла.

Т МО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100 — 200 °С. При ТМО повышается весь комплекс механических свойств и особенно пластичность и вязкость, что наиболее важно для высокопрочного состояния. По сравнению с обычной обработкой прирост прочности при ТМО составляет 200 - 500 МПа, т.е. 10 - 20 %. Характеристики пластичности и вязкости повышаются в 1,5-2 раза.

При сравнении этих двух схем следует отметить: а) ВТМО является более легкой для технология, осуществления, к тому же может быть использовано тепло ковочного или прокатного нагрева; НТМО предусматривает перенос изделий в различные ночи, проведение изотермич. выдержек и осуществление наклепа в условиях повышенного сопротивления аустенита пла-стпч. деформации при темп-pax промежуточной области, б) НТМО можно подвергать только стали с повышенной устойчивостью аустенита, тогда как при проведении ВТМО таких ограничений практически не существует, в) НТМО обеспечивает получение более высокой прочности в связи с отсутствием рекристаллизации при темп-ре деформации; при ВТМО, по-видимому, протекают в ряде случаев начальные стадии рекристаллизации, что приводит к получению более низких значений прочности, но позволяет достигнуть большего запаса пластичности, имеющего в ряде случаев высокопрочного состояния (внезапные перегрузки, сложное напряженное состояние и т. п.) решающее значение.