|
| |
|
Слаботочка Книги 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 [57] 58 59 60 61 62 63 64 65 66 (Ш4) случае возможна линейная аппроксимация, причем наблюдаются характерные переломы в низкотемпературной {Ki <: 0,2) и высокотемпературной (при 4 > 0,5) областях, что хорошо согласуется с аналогичными переломами на кривых прочности и твердости, зафиксированных для тугоплавких металлов. На основе рис И, как и при определении коэффициента Л, получаем следуюихие зависимости: С = ехр (0,5 -f 0,81X4) При 0< Ki< 0,175; С = ехр(0.б2 4-0,12/<4) При 0,175 < K 0,581; С = ехр(1,б5-1,65/С4) при 0,581 Ki<\- Результаты проверки справедтиво- сти зависи-мостей (104) и (101) для америкаЕ1ских (№ 304. 322, 448) и отечественных сталей, а также для никелевого сплава ХН62МВКЮ (ЭИ867) в широком диапазоне температур приведены в табл. 4. Экспериментальные данные для этих целей заимствованы нз работ [2, 7, 21J. Как видно из табл. 4, в 90 % случаев расчета по (юлученным формулам имеются погрешности ие более ±:\Ъ%, что можно признать вполне удовлетворительным для постав.г1енных целей. С учетом изложенного выше длн моделирования условия выносливости можно рекомендовать следующий общий метод восполнения недостающей 80 0
о 200 W 600 BOO WOO 1200 Т,к Рис. 14 Зависимость предела прочности н предела вынослиности (Л - 10 ) стали 03Х]5Н6Ю От температуры по данным расчета и эксперимента информации о пределе выносчпвгсти Ecjth для заданного спливэ трсГчется выяснить непрерывную температ\ рную зависимость o i (Г<) или 01,(7,), когда Известны лишь отдельные экспериментальные значения о [, иолучс[1н)е на некоторой базе Л, то необходимо сопоставить их со значениями о-* по формуле (101) при соответствующих гомологических температурах и определить зависимость In С = / (Ка) по аналогии с изложенными выше приемами (см. табл. 3, рис 10 и 11). Проверка этого общего метода проведена на примере анализа свойств стали 09Х15Н8Ю {СН-2). Экспериментальные значения Оц и a j на базе 10 циклов заимствованы из работы [7}. Для расчета зависимостей т и о { при принятом Г] = 1723 К получены следующие формулы Л1 = ехр (1,02-т-3,08/(,) np,i 0 0,170; Л1= ехр (8.96X4) При 0,170-Ki- 0.275; Л: ехр (2.0 + 1,68X4) при 0,275 < Х4 < 0.430; Л1 =ехр (4,77 -4,77Xj) при 0,430 < К4 <- 1.0 С =ехр (0,5 -f !,56/<4) при 0 Xj0,l70, Сехр (0.8 -0.18X4) при 0,170 Х40,58!; С =ехр (1,66- I.6GX4) при 0,581 Х4 1,0. Совместное решение выражений (854 (101) и 1105,1 представлено искомыми кривыми на рис. 12. Точками здесь обозначены соответствующие экспер!!-ментальные данные Смещение одной точки (Т4 = 21 К) объясняется известной аномалией свойств стали 09Х15Н8Ю в области, близкой к аС- СОЛЮТНОму 11\ЛЮ Условие пластичности. Наиболее распространенной характеристикой пластичности является относительное ;105) 4 Расчетные и экспериментальные значения предела выносливости для коррозионно-стойких и жаропрочных сталей
удлинение материала прн разрушении 6 Минимально допускаемым значением относительного удлинения д-тя материалов современных конструкций можно считать бдоп>1! -5)%. (106) Это требование можно предъявить и к паяным соединениям. Однако, как показывает опыт, в тех случаях, когда жесткость паяных соединений выше жесткости элементов конструкции, например в соединениях внахлестку из тонколистовых материалов, допускае- мое удлинение материала шва 6* может быть несколько меньше и составлять (0.5 - 1, (107) доп Относительное удлинение определяют экспериментально. Наряду с этим предлагаются расчетные методы определения б. Так, Г. К Щербак рекомендует следующую формулу; б, = к- (108) где §5 - откссительное удлинение, определяемое при отношении длины образца к диаметру, равном 5,%, к - коэффициент, зависящий от природы материала; а - ударная вязкость; On - предел прочности. Выражение (108) справедливо для конструкционных сталей в области умеренных температур Установлено, что коэффициент к связан с ударной вязкостью стали выражением k = VH, (109) где - константа, характеризующая особенности той или иной марки стали. В частности, для стали 20 0 = 1200, для стали 40Х -о = 1500 В общем случае относительное удлинение связано со средней скоростью ползучести г, %/ч и временем до разрушения т следующим соотношением [23]: б = ет. (110) В сбою очередь, ё зависит от напряжения о и температуры и может быть выражена формулой е = Oqo\ (111) где 0j и п - коэффициенты, зависящие От температуры и природы сплава При подстановке выражения (111) в формулу (110) получаем боото . (112) В диапазоне температур 500-800 °С показатель степени п для перлитных и аустеиитных сталей изменяется от 4,6 до 15,5. В частности для стали Х16Н25М6 (ЭИ395) при 700 X п 9 и Оо - Ю ! , поэтому в этом случае выражение примет вид Отсюда следует, что. напоимер. пои о 1 52 .\Ша и т = 600 ч б 2.4 %, что означает возможность хрупкого разрушения изделий. При о - = 3,88 МПа и X = 1 ч б = 15,8 %, что свидетельствует о достаточной пластичности сплава и отсутствии опасности хрупкого разрушения С повышением температуры показатель степени п заметно снижается, что согласно (1 12) 03!i£ ает уменьшение пл?Стичностн и возможность хрупкого разруп1ени!: при сравнительно высоких скоростях 1юлзуч1сти, илн при малой продолжитсльнсстн эксплуатации изделия. Зная характер зависимости п и о от Т4. можно произвести учет влияния последней, в соответствии с формулой (112), на относительное удлинение и дать количественную оценку, согласно выражениям (107)и (106),принятому конструктивно-технологическому решению для соблюдения условия пластичности. Условие коррозионкон стойкости и старениа. С течением воемени под действием агрессивных сред прочность паяных соединений изменяется [20]. Если эти изменения происходят с той же или меньшей интенсивностью, что и в материале конструкции, то можно считать их приемлемыми. Используя выражение (S3), условие коррозионной стойкости можно записать в виде О; Ф =
(113) где Ф и ф - характеристики разупрочнения конструкционного материала и соответственно паяных соединений, W - фактор, характеризующий природу окружающей среды; т - время. Для изделий, работающих при повышенных температурах в окислительной среде согласно формуле (113), должна быть проверена прежде всего сопротивляемость паяных швов газовой коррозии. Изучение кинетики окисления металлов и сплавов показывает, что скорость их окисления во времени определяется линейной, параболической Или логарифмической зависимостью и соответственно выражается Следующими уравнениями [23 J g - kjT; (114) g-=lhT. (115) g= kslgiax- 1), (116; где - количество вступившего в реакцию кислорода; х - продолжительность процесса окисления; к-, к, кз и а - константы. Константы ki характеризуют скорость процесса окисления и являются основными его параметрами. Для большинства процессов окисления металлов и сплавов эти константы определяют по уравнению Аррениуса й-До ехр [-Q/\RT,)], (117) где До - постоянная; Q - энергия активации реакции окисления; R - газовая постоянная; Т4 - эксплуатационная температура. Наилучши.ми защитными свойствами обладает окисная пленка на металлах и сплавах, процесс окисления которых происходит по логарифмическому закону (116), В этом случае на поверхности металла образуется только один окисел постоянного состава; окисная пленка плотная и непроницаемая. Диффузия атомов металла или кислорода через такую пленку затруднена. Пленка практически защищает металл от дальнейшего окистення [23 ]. По логарифмическому закону медь окисляется при температуре ниже 140 °С, железо - ниже 200 °С, цинк - ниже 225°, марганец - ниже 290 °С. Подобным образом окисляются многие жаростойкие стали и сплавы. Так, например, сталь 12Х25Н16Г7АР (ЭИ835) окисляется при 1273 К по уравнению = 2,3 Igx - 0,41, (118) где Ag - привес материала за счет окисления, гм-; т - время, мин Полагая, что преобладающей фазой Б последнем случае будет двойной окисел типа шпинели РеСггОа с соотношением массовых частей металлов и кислорода 2,5 . 1, можно показать, что, апример, за т ~ Ю мин расчетная олшика элементов изделия из стали 12Х25Н16Г7.4Р (ЭИ835) согласно формуле (118) уменьшается на 1,3%. Но если честь. что с повышением емпературы Т4 до 1673 К скорость окисления возрастает в несколько раз, то необходимо либо огра]Шчить срок службы такого изделия, либо уве-л ич ить толщину его элементов по сравнению с расчетной. Рассматривая старение изделий как наиболее общий процесс изменения рабочих свойств материала и паяных швов на стадиях хранения, транспор-тироватя и применения по назначению, включая все виды коррозии, целесообразно считать выражения (ИЗ)-(118) как частные случаи основного уравнения старения, которое обычно пишется в виде 119 ] in Р In Ро - Че-З (119) или после логарифмирования и разрешения относительно х в форме In X = 1п (1п Ро - !п Р) - In k + Q/e, (120) где Р - мгновенная прочность; Рд - начальная прочность; к - функция природы и концентрации реагирующих веществ, а также константы к, зависящей от свойств материала, и константы 0, характеризующей размер дефекта; т - длительность старения; Q - энергия активации; г - энергия реакции. Как это видно из анализа уравнения (119), при постоянстве внешней среды прочность изделий уменьш ается со временем по экспоненциальному закону. Срок службы т изделия до достижения заданной прочности обратно пропорционален концентрации агрессивной среды. Как видно из формулы (120), логарифм долговечности изделия, отвечающей определенному значению прочности, прямо пропорционален энергии активации и обратно пропорционален энергии реакции. Условие долговечности. Свойство изделия сох ранять работоспособность (с возможными перерывами для технического обслуживания и ремонта) до разрушения или другого предельного состояния получило название долговечности [ 13 ] Предельное состояние может устанавливаться по изменениям параметров \слобиям безопасности, экономическим показателям, необходимости первого капитатьного ремонта и т. п. Основными числовыми показат-тями долговечности изделий являются технический (назначенный) ресурс Тд и сроки службы до разру- шеиия Тр или другого предельного состояния Тпр. Долговечность паяных соединений достигается, если соблюдаются следующие соотношения: Тл >т (121) где т IJ, р, пр - соответствующие характеристики долговечности, относящиеся к паяным соединениям. Значения Тд, Тр и Тпр определяются прежде всего технико-экономическими требованиями, сформулированными в задании на создаваемый объект. Однако их значения неоднократно уточняют при испытаниях в ходе отработки опытного образца. При этом руководствуются расчетными значениями указанных факторов долговечности, соблюдая связь с условиями выносливости, пластичности, коррозионной стойкости и старения. Оценивая характеристики долговечности изделий по усталостным явлениям в материале конструкции и паяных соединениях, необходимо обеспечить Следующие условия ЛоЛпр[аЛ7 4)>о (Г4)]: I где Ло и Ли* - чиста циклов нагруже-ния материала конструкции и паяного соединения изделия за период выработки ресурса; N пр - Л пр - предельно допускаемые числа циклов нагружен ия материала конструкции и паяного соединения при амплитудах напряжений, превышающих соответствующие пределы выносливости о \ и oil, причем в общем случае пр - -пр И о Л Для установления связи между N -V aii) соответственно Л а{4) при умеренных температурах используют следующую зависимость [23]: Лдр X lii - q i 0-1 - о п (123) где Q - коэффициент сопротивления металла пластической деформации, МПа-цикл; Од - то же, что и в формуле (92); о и о п - соответственно предел выносливости, циклический предел текучести материала конструкции (паяного соединения), МПа. Значения Q, aj и а- для некоторых листовых материалов приведены в табл. 5. Расчеты по формуле (123) с использованием данных табл, 5 показывают, что, например, для стали 12Х18Н9Т при Оа = 294 МПа Лцр = = 1,375-10* циклов. Если в этом случае частота колебаний, определяющая выносливость материала, составляет 50 Гц, то изделие работает до разрушения в течение Хц = т-р = 4,6 мин. При оценке фактора долговечности, исходя из условия пластичности, следует пользоваться выражением (112), решая его относительно т: тх= 6/(000 ) (124) Наконец, параметры Tq, Тр, тр и соответственно X*, должны быть сопоставлены с фактором времени, учитываемым в формулах (ИЗ)- (116), (118)-(120). В последнем случае посте потенцирования имеем Тор - т - In е , (1251 5 Характе[жстики выносливости некоторых листовых материалов
Отказ изделия, согласно (125), произойдет тогда, когда мгновенная прочность снизится до значения приложенной нагрузки. В этом случае долговечность будет исчерпана и надежность станет равной нулю. Условие надежности. Проблема надежности технических устройств является одной из центральных в современной науке и технике, однако теории надежности паяных соединений посвящено сравнительно немного работ [3, 11, 13-19, 23]. В качестве одного из основных числовых показателей надежности паяных соединений можно принять интенсивность отказов X* [11], показывающую, какая доля работающих в момент времени т паяных соединений выходит из строя в единицу времени. Тогда условие надежности можно записать в виде (126) где А* - интенсивность отказов паяных узлов (сборочных единиц, агрегатов) изделия; Ау - интенсивность отказов прочих узлов изделия. Если для изделия принять Лу = 5 (10 - 10 ) ч 1 (при доверительной вероятности а = 0,95), то выражение (126) получит вид Я*5.10- ч-1 и ?.у5.10- ч-. (127) Наиболее достоверным методом определения X* является испытание паяных соединений на работоспособность в условиях эксплуатации в течение заданного времени т, х* или xjp Однако практически это трудно осуществить, и поэтому прибегают к ускоренным испытаниям на форсированных режимах При этом руководствуются положениями ГОСТ 206995* Интенсивность отказов по результатам испытаний вычисляют по формуле (128) где п - число отказавших паяных узлов; Дх - интервал времени, для которого вычисляют к*; N* - сред- нее число исправных паяных узлов за время Дх. Из выражения (128) следует, что необходимо обеспечить такие значения Дх и Лср, чтобы получить п I Значение можно вычислить также на основе обработки статистических данных об отказах паяных узлов в эксплуатации. В частности, в работе [23] приводятся следующие значения интенсивности отказов паяных соединений X*: наибольшее - среднее - 4-10 ч t и шее - 2-10~- ч~. Как видно из этих данных, технологический процесс пайки позволяет получить значения X*, удовлетворяющие условию (127). Если принять X* = const, то прочие характеристики надежности можно определить по следующим формулам: /(X) = Я ехр (-Кх), (129) где / (х) - частота отказов, или плотность распределения времени безотказной работы; X - время (в частности х или X*); Хер = их*, (130) где Хер - средний срок службы (математическое ожидание), ч; Р (X) = ехр (-Х х), (131) где Р (т) - вероятность безотказной работы В последнем случае, приняв для некоторого цел ьнопая ного yajia, состоящего из большого числа паяных соединений, Tq = 2 ч и Р (х*д) = 0,999, можно вычислить по формуле (131) допускаемое значение X = -In 0,999 = 10 = 5-Ю что не противоречит выражению (127) Если же принять предельный срок службы паяных соединений в изделии т-р = 5 лет - 8.76-10 ч и Р (jp) -== 0,999, то X = 1.14-10 ч что также согласуется с условием (127) Таким образом, выражения (127)- (131) могут быть использованы для совместного решения с выражениями (121) и (123)-(125). В общем случае Х и X* зависят от времени и характеристики надежности имеют иной вид откуда л* - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 [57] 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||