Детали машин и элементы конструкций в процессе изготовления, как правило, подвергаются механической, термической или химико-термической обработке, которая существенно изменяет их механические свойства. Так из углеродистых низколегированных сталей, содержащих 0,4…0,6 % углерода, 0,7…1,5 % никеля, 1…3 % хрома, путем низкотемпературной термомеханической обработки(НТМО) удается получить высокопрочный малопластичный материал с пределом текучести s 0,2 на уровне 2800…3000 МПа, пределом прочности s В 3200…3500 МПа и относительным остаточным удлинением d 8…12 %. Операция НТМО заключается в нагреве заготовки или детали до температуры 900…1000 °С, быстром охлаждении до 450…550 °С, многократном пластическом деформировании с большой степенью деформации (до 90 %), закалке на мартенсит и отпуске при 250…400 °С. После НТМО противопоказан нагрев, следовательно, детали, прошедшие такую обработку, нельзя соединять с помощью сварки.
Другой технологический режим представляет высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), в ходе которой пластическое деформирование до 20…30 % осуществляется при температуре 800…900°С, затем производится закалка на мартенсит с последующим отпуском, в результате предел прочности s В повышается до 2200…2800 МПа. Применяется также сочетание НТМО и ВТМО.
Многократной механико-термической обработке (ММТО) подвергаются малоуглеродистые стали, после чего на диаграмме деформирования исчезает площадка текучести, происходит наклеп и, как следствие, сближаются предел текучести и предел прочности.
Как уже говорилось (см. подразделы 1.3, 1.4), наложение объемного равноосного сжатия существенно повышает пластичность материала. Этот эффект, позволяющий увеличить ресурс пластичности в несколько раз, иногда на порядок и более, успешно используется при гидростатическом прессовании и гидроэкструзии. Применение этих операций необходимо при производстве изделий из труднодеформируемых материалов, изготовлении деталей сложной конфигурации с глубокой вытяжкой металла, получении тонкостенных труб и профилей высокой точности, а также изделий из композиционных, порошковых и других материалов, для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств обрабатываемого материала.
|
|
В табл. 1.4 приведены механические характеристики низколегированной
стали 36ХМ после различных режимов термической обработки(K, m – параметры кривой деформирования, аппроксимированной по Рамбергу–Осгуду; 
– истинное сопротивление разрыву; b – показатель энергопоглащаемости).
Таблица 1.4 - Изменение характеристик прочности и пластичности стали 35ХМ в связи с режимом термообработки (сталь жаропрочная релаксационностойкая; применение: валы, зубчатые колеса, шпиндели, шпильки, фланцы, диски, покрышки, штоки и другие ответственные детали, работающие в условиях высоких нагрузки скоростей при температуре до 450—500 °С)
| Режим термической обработки | s 0,2 | s В | y | K | m | 
| pf | b |
| Нормализация | 0,18 | |||||||
| Закалка с 880 °С в масло, затем отпуск при температуре | ||||||||
| 300° | 0,05 | |||||||
| 500° | 0,05 | |||||||
| 700° | 0,045 |
Значения s 0,2, s В, K, 
приведены в МПа; y, pf – в %; m, b – величины безразмерные.
|
|
Закалка с отпуском существенно изменяет свойства данной стали: характеристики прочности возрастают в 3…5 раз, заметно увеличивается пластичность, однако в связи со сближением пределов текучести и прочности снижается, судя по показателю m, упрочнение и, как следствие, энергоемкость материала – практически на порядок.
И, наконец, одним из важнейших факторов, оказывающим значительное влияние на работоспособность элементов конструкций, является концентрация напряжений. Это явление многогранно, связано как с конструктивными особенностями детали, поскольку различного рода геометрические особенности и механические неоднородности закладываются на этапе ее проектирования, так и с деформационными и прочностными свойствами готового изделия, в немалой степени определяемые его термической (либо химико-термической) и механической обработкой. И, наконец, вид напряженно-деформированного состояния около концентратора зависит не только от его геометрических параметров (с остротой концентратора связан, в частности, градиент напряжения), но и от внешней нагрузки. Поэтому данному фактору будет посвящен отдельный раздел нашего пособия.
1.6 Расчеты на прочность при статическом нагружении и основные пути повышения прочности конструкций
Расчет на прочность при статическом нагружении включает следующие основные этапы:
а) определение исходных данных и требований к проектируемой детали в связи с работой всей конструкции или отдельного узла;
б) выбор расчетных моделей деформирования и разрушения с учетом возможных упрощений, относящихся к форме детали и программе ее нагружения;
|
|
в) выполнение расчетов с использованием критериев работоспособности детали, сопоставление фактических коэффициентов запаса прочности по отношению к возможным опасным состояниям с нормативными;
г) анализ результатов и принятие решений (включая рекомендации об изменении размеров и формы детали, материала, условий работы); определение необходимости проведения дополнительных расчетов, экспериментальных исследований и испытаний для уточнения коэффициентов запаса и более полного обоснования окончательного решения.
Остановимся на предпоследнем пункте – в), который непосредственно относится к курсу «Конструкционная прочность и основы механики разрушения»: критерии разрушения (и, соответственно, работоспособности), механические свойства и характеристики материалов, влияние местных напряжений и множества других факторов на прочность. Одним из важнейших вопросов является назначение коэффициентов запаса.
Перечислим некоторые факторы, которые должны учитываться при назначении коэффициента запаса.
а) Ответственность конструкции, характер возможных последствий отказа.
В качестве примера приведем авиацию. Здесь опенка прочности осуществляется в вероятностной постановке с учетом данных о возможных перегрузках, отклонениях характеристик материалов и т.д. Вероятность разрушения элементов планера пассажирского самолета за срок службы 10 тыс. часов допускается не более 0,003…0,005; в то время как для объектов боевой авиации в расчете на 2 тыс. часов эксплуатации принято 0,006…0,020, то есть, в десятки раз большей.
б) Возможные отклонения нагрузок от их номинальных значений (в большую сторону).
в) Возможные отклонения механических характеристик от их номинальных значений (в меньшую сторону).
г) Пластические свойства материала (в связи с опасностью хрупкого разрушения).
В табл. 2.4 в качестве иллюстрации приведены значения минимальных (нормативных) коэффициентов запаса по пределу текучести для стальных деталей при различных соотношениях 
.
О значении адекватности применяемых математических моделей и методов расчета, использования результатов экспериментальных исследований в связи с нормированием коэффициентов запаса было сказано во Введении.
Таблица 2.4 - Значения нормативного коэффициента запаса в зависимости от степени упрочнения стали
| 0,45…0,55 | 0,55…0,70 | 0,70…0,90 | Литые детали |
| [ nT ] | 1,2…1,5 | 1,4…1,8 | 1,7…2,2 | 1,6…2,5 |
Повышение прочностной надежности машин и аппаратов, снижение вероятности отказов, в особенности сопряженных с опасными последствиями, достигается посредством применения современных методов и средств исследования нагруженности (характеризуемой механическими нагрузками, температурными и другими физическими полями), математических моделей и методов анализа напряженно-деформированного состояния, условий разрушения и определения необходимых коэффициентов запаса с учётом конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов; внедрения новых методов и систем технической диагностики. Создание современных эффективных конструкций возможно лишь на основе использования широкого разнообразия конструкционных материалов, включая новейшие, методов оптимального проектирования, прогрессивных технологий. Рациональный выбор материалов, конструкционных и технологических методов повышения прочности требует глубокого понимания условий работы каждой детали и всей конструкции в целом, учёта множества факторов, среди которых важное место занимают требования экономической эффективности.
Конструкционные способы повышения несущей способности включают выбор рациональной геометрии деталей, широкое применение тонкостенных элементов, включая оребренные, вафельные, многослойные (композитные)оболочки, искусство рационального распределения усилий между элементами конструкции; методы повышения или, наоборот, уменьшения жёсткости, позволяющие исключить возможность возникновения опасных состояний в условиях эксплуатации; методы снижения износа или уменьшения его вредных последствий, связанных с нарушением начальных условий работы деталей; создание благоприятного распределения начальных напряжений (преднапряженные конструкции) и т.д.Разнообразные примеры рациональных конструктивных решений приведены в книге [19].
Среди технологических методов повышения прочности отметим упрочняющие технологии (механические, термические, термохимические и другие); специальные методы литья, включая направленную кристаллизацию; технологические способы создания благоприятного поля остаточных напряжений; методы защиты от коррозии.
1.7 Контрольные вопросы и упражнения по теме «Деформационные и прочностные свойства сталей