Конструктивная прочность. Конструкционные стали и сплавы

КОНСТРУКТИВНАЯ 
ПРОЧНОСТЬ
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ 
И СПЛАВЫ

В.А. ЖУКОВ

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Учебно-методическим советом ВО в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлениям подготовки 15.04.03 «Прикладная механика»,
15.04.01 «Машиностроение», 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение 
машиностроительных производств» (квалификация (степень) «магистр»)

УДК 669(075.8)
ББК 34.431я73
 
Ж86

Жуков В.А.
Ж86  
Конструктивная прочность. Конструкционные стали и спла вы : 
учебное пособие / В.А. Жуков. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 264 с. — 
(Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/textbook_
5ad4aad46cdeb2.05833429.

ISBN 978-5-16-012956-3 (print)
ISBN 978-5-16-105713-1 (online)
В учебном пособии рассмотрены вопросы, относящие к обоснованию 
в процессе проектирования критериев выбора конструкционных сталей 
и спла вов с целью обеспечения требуемой прочностной надежности деталей машин и конструкций. Анализируется взаимосвязь между критериями 
выбора, со ставом и структурой конструкционных материалов при работе 
в области климатических и высоких температур, при наличии радиации 
и коррозии. Природа прочности и деградации материалов в условиях 
их эксплуатации рассматривается на различных структурных уровнях. 
Представлены крите рии выбора конструкционных сталей и сплавов 
для типовых деталей машин, трубопроводов морской добычи нефти и газа, 
наиболее нагруженных деталей турбин и установок ядерной энергетики.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Предназначено для магистрантов техники и технологии, специализирующихся в области исследования и проектирования машин и материалов.

УДК 669(075.8)
ББК 34.431я73

Р е ц е н з е н т ы:
Н.Б. Кириллов — доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского политехнического университета имени Петра Великого; 
В.В. Носов — доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского горного университета

ISBN 978-5-16-012956-3 (print)
ISBN 978-5-16-105713-1 (online)
© Жуков В.А., 2018

Предисловие

В настоящем пособии рассматриваются проблемы и способы 
формирования критериев конструктивной прочности сталей 
и сплавов, предназначенных для работы в области климатических 
и повышенных температур, при коррозионном и радиационном 
повреждении.
Содержание пособия соответствует учебной дисциплине «Конструктивная прочность», целями изучения которой являются:
 
• знание видов отказов оборудования, механизмов повреждения 
и де градации материалов в условиях эксплуатации, основ формирования соот ветствующих критериев конструктивной прочности оборудования и деталей машин;
 
• способность формировать комплексы критериев конструктивной прочно сти при проектировании оборудования и контроле качества материалов в процессе изготовления и в условиях 
эксплуатации; анализировать возмож ные причины отказов 
в связи с утратой прочностной надежности деталей машин 
и элемен тов конструкций;
 
• формирование системного подхода к решению профессиональных задач на примере обеспечения прочностной надежности при проектировании и изготовлении технических объектов, основанного на изучении надежности функционирующих 
технических объектов, анализе методов проектирования и технологий производства, мониторинге состояния технических 
объектов в условиях эксплуатации.
Учебная дисциплина «Конструктивная прочность» соответствует ФГОС магистратуры направления «Прикладная механика» 
в качестве специальной дисциплины и может быть рекомендована 
обучающимся в магистратуре по направлению «Машиностроение» 
в качестве учебной дисциплины по выбору. Рабочей учебной программой рекомендована основная литература, содержащая сведения 
о механических и иных свойствах современных конструкционных 
материалов либо с позиции физики прочности [1], либо в основном 
с позиции технологии, состава и структуры материалов [2].
Внимание обучающихся акцентируется на формировании комплексов критериев, принимаемых при проектировании деталей 
машин и элемен тов оборудования с целью обеспечения прочностной надежности. Исходным этапом такого формирования является анализ критериев прочности, использованных при проекти

ровании функционирующего оборудования, в том числе представленных в ГОСТах и ОСТах.
В пособии рассматриваются особенности сопротивления деформированию и разрушению конструкционных сталей в области 
климатических температур; сталей и сплавов при повышенных 
температурах и в условиях радиации. На основе анализа условий 
работы наиболее нагруженных элемен тов машин и оборудования 
определяются основные критерии конструктивной прочности, используемые при проектировании и контроле качества материалов 
в процессе изготовления; дается перечень используемых и перспективных материалов.
Для усвоения материала учебного пособия необходимы знания 
материаловедения, технологии и механики материалов, способов 
оценки прочностной надежности при проектировании. Методика 
обучения предполагает ознакомление с содержанием пособия 
в пределах лекционного цикла при использовании электронной 
презентации и демонстрации поврежденных частей машин и оборудования, а также решение практико-ориентированных задач 
по выбору материалов и самостоятельную подготовку обучающимися сообщений на семинарских занятиях по различным вопросам 
обеспечения надежности оборудования. Важной составляющей 
обучения является самостоятельная работы, основная задача которой — умение анализировать содержание научно-технической 
литературы с позиции возможного использования информации, 
содержащейся в ней, для разработки критериев конструктивной 
прочности, а также использовать для этой цели сведения, полученные в процессе производственных практик, научно-исследовательской и проектной работы.
Основные формы контроля усвоения учебного материала — 
сообщение на семинарских занятиях, решение задач выбора конструкционных материалов и анализ содержания подготовленных 
обучающимися реферативных работ.
Автор выражает благодарность профессору, доктору технических 
наук Федоровичу Евгению Даниловичу за предложения по содержанию данного пособия и критические замечания.

Введение

Жизненный цикл любого технического объекта (ТО) начинается 
с осознания потребности и постановки задачи проектирования, содержащей информацию о требуемых свойствах будущего ТО. В процессе проектирования ко всем частям ТО определяют требования, 
на основе которых в конечном счете разрабатывают его детальное 
описание (знаковую модель, проект). Формирование требований 
к материалам, точности изготовления деталей и их сочленений осуществляется с учетом опыта проектирования, изготовления и эксплуатации других ТО, максимально подобных проектируемому. 
Однако полное подобие невозможно. Поэтому проектирование 
в той или иной степени сопряжено с оценкой принимаемых проектных решений по результатам испытаний (лабораторных, стендовых, полигонных) основных элемен тов будущего ТО. Сочетание 
прежнего опыта и данных о надежности наиболее ответственных 
частей проектируемого ТО позволяет повысить вероятность достижения требуемой работоспособности новой техники.
Работоспособность — это состояние ТО (ГОСТ Р 534080—009), 
при котором он соответствует требуемому назначению (с целью 
удовлетворения общественных, производственных или индивидуальных потребностей) и сохраняет значения заданных параметров 
в пределах, установленных нормативно-технической документацией (НТД).
Работоспособность характеризуется следующими свойствами.
Функцио нальность — свойство ТО соответствовать его назначению. Функцио нальность ТО машиностроения моделируется 
на основе принципов механики, термодинамики и других наук. 
Эти принципы подтверждены обширной практикой и существенно 
не изменяются. Поэтому в настоящее время инновации в конструировании новых ТО машиностроения связаны в основном с применением новых систем управления, конструкционных материалов, 
технологий машин и оборудования.
Экологичность — свойство ТО соответствовать требованиям 
охраны окружающей среды при изготовлении ТО, его применении, 
а также при хранении, транспортировке и ликвидации.
Эргономичность — свойство ТО соответствовать физическим 
и психическим характеристикам обслуживающего персо нала 
при управлении и обслуживании данного объекта.
Надежность — свойство ТО выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей (ЭП) 

в пределах, установленных нормативно-технической документацией при заданных условиях эксплуатации, ремонтов, хранения 
и транспортировки.
Событие утраты работоспособности называется отказом.
Функцио нальный отказ может произойти в результате нарушения 
условий работы, при котором нормальное функционирование машины или механизма невозможно (отсутствие смазочного материала в подшипниках скольжения, подачи горючего в двигателе 
внутреннего сгорания и т.п.).
Физический отказ машины или механизма обусловлен достижением предельного состояния деталей и элемен тов конструкций.
Физический отказ детали может произойти при достижении 
предельного состояния материала в результате повреждений:
 
• внутренних объемов детали при передаче нагрузок от одного сечения детали к другому;
 
• поверхностных объемов детали при контакте ее с другими деталями, жидкостями и газами.
К сожалению, нет однозначного определения понятий «конструктивная прочность» и «конструкционная прочность» (англ. 
structural strength), не всегда проводится различие между ними.
Большой энциклопедический политехнический словарь [3] 
определяет конструкционную прочность как «свойство конструкционных элемен тов (сварных узлов, коленчатых валов, болтов, сосудов, турбинных лопаток и др.) или их упрощенных моделей (например, надрезанных образцов) в определенных условиях воспринимать, не разрушаясь, те или иные воздействия… Несоответствие 
между конструкционной прочностью и прочностью материала, 
определенной на образце (главным образом у высокопрочных материалов), зависит от размеров, формы и технологии изготовления 
конструкций».
Из последнего утверждения следует, что понятия «конструкционная прочность» и «прочность материала» относятся к разным 
объектам: первое — к элементам конструкции, а второе — к материалу, из которого они изготовлены. Согласно приведенному выше 
определению конструкционная прочность деталей отождествляется 
с их прочностной надежностью, обусловленной сопротивлением 
материала повреждению по объему детали. Отказ в этом случае 
является следствием изменения размеров и формы детали или ее 
разрушения при действии длительных или чрезмерных кратковременных нагрузок. (В отличие, например от триботехнической 
надежности, обусловленной повреждением поверхности детали 
при изнашивании.)

Прочность материала детали оценивают по результатам испытаний стандартных образцов, вырезанных из заготовок этого материала. Полученные при этом значения характеристик сопротивления материала деформированию и разрушению используют 
при выборе материала проектируемых деталей и при контроле качества материалов в процессе их изготовления.
Вследствие многообразия возможных условий эксплуатации ТО 
и согласно опыту проектирования, изготовления и эксплуатации 
машин и оборудования на этапе проектирования при выборе материала детали необходимо использовать комплекс характеристик 
прочности. Какие именно характеристики данного материала необходимы и какие предельные значения их допустимы в данном 
случае? Решение принимают на основе сопоставления предполагаемых условий работы и характеристик материала проектируемых 
деталей с условиями работы и характеристиками материала деталей 
аналогичных машин, надежность которых уже подтверждена практикой. Однако полное соответствие условий работы материала детали и условий испытания образцов невозможно. Поэтому окончательно решение о критериях конструктивной прочности при выборе материала и технологии наиболее ответственных элемен тов 
машин принимается на основе данных, полученных при испытаниях физических моделей будущих ТО в условиях, максимально 
приближенных к условиям эксплуатации.
При проектировании деталей машин, работающих в области 
климатических температур, в качестве одной из характеристик 
сопротивления разрушению конструкционных сталей перлитного 
класса принимается ударная вязкость КСU, а ее минимальное значение [KCU]t при температуре испытания t на 10 … 30°C ниже минимальной рабочей температуры детали принимается с учетом значения предела текучести стали и возможных последствий отказа. 
Соответственно, один из критериев конструктивной прочности 
стали можно записать в виде соотношения КСUt  [КСU]t  49 Дж/см 2. 
Считается, что в этом случае вероятность разрушения при напряжениях ниже предела текучести незначительна, а для определения 
размеров поперечных сечений деталей можно использовать формулы сопротивления материалов и теории упругости, назначая допускаемые напряжения по пределу текучести т (или 0,2) и пределу 
выносливости  – 1 данной стали.
Термин «конструктивная прочность» в технической литературе 
и учебных пособиях используется для обозначения определенного 
комплекса механических свойств материала, обеспечивающего 
надежную работу деталей в условиях эксплуатации. К сожалению, 

в таком определении не вполне раскрыты содержание и смысл 
этого понятия.
Во-первых, известны случаи, когда при практически одинаковых 
значениях характеристик механических свойств, определяемых 
при стандартных испытаниях образцов одной и той же марки материала, но разных поставок, имеет место существенное различие 
надежности элемен тов конструкций, изготовленных из них. Как 
правило, это обусловлено некоторым различием состава и структуры материала, не выявляемым при стандартных механических 
испытаниях. Вероятно, указания только на механические свойства 
в определении термина «конструктивная прочность» недостаточно. 
Во-вторых, внимание должно быть обращено на надежность конструкции из данного материала, которая, к сожалению, зависит 
не только от характеристик материала конструкции. В-третьих, 
следует указать, на каких этапах жизненного цикла ТО используется конструктивная прочность материала.
Принимая во внимание взаимосвязь конструкционной прочности и прочности материала, дадим следующее определение.
Конструктивная прочность материала — это комплекс критериев, 
соответствие которому характеристик конструкционного материала 
является одним из необходимых условий обеспечения требуемой 
прочностной надежности проектируемых технических объектов 
при регламентируемых условиях их эксплуатации.
Критерии конструктивной прочности представляют собой соотношения между характеристиками химического состава, структуры, механических и других свойств данного материала и соответствующими ограничениями этих характеристик. Значения 
данных ограничений устанавливают на основе опыта испытания 
и контроля материалов, проектирования, технологии изготовления 
и эксплуатации данной группы деталей, а также с учетом результатов испытаний физических моделей частей ТО.
Заметим, что модель прочностной надежности при расчете деталей и элемен тов конструкции включает в себя четыре модели:
 
• модель материала;
 
• модель формы;
 
• модель условий эксплуатации;
 
• модель соответствия расчетных параметров установленным 
огра ничениям с целью обеспечения требуемой надежности.
Таким образом, в представленном выше определении понятия 
«конструктивная прочность» отражены основные составляющие 
модели, используемой при расчетной оценке прочностной надежности детали (элемента конструкции) в процессе проектирования.

Зависимость конструктивной прочности от состава и структуры 
материала, формы детали, технологии и условий эксплуатации 
указывает на то, что сравнения эффективности применения материалов только на основе сопоставления их стоимости и стандартных механических свойств, определяемых на образцах, явно 
недостаточно. В этом отношении представляется поучительным 
пример, приведенный в книге [1]. Рассмотрим его подробнее.
Проектируется корпус глубоководного батискафа, способный 
достичь дна Марианской впадины. Давление воды 100 МПа, 
с учетом запаса прочности принято проектное давление 200 МПа. 
Корпус в виде сферы радиусом r  1 м и постоянной толщиной 
стенки t. Корпус должен иметь минимально возможную массу. 
Площадь сферы 4r 2.
Возможны два вида разрушения сферы:
1) потеря устойчивости под действием внешнего давления 
рb  0,3E (t /r)2;
2) разрушение или появление пластической деформации 
при сжатии pf   2f (t /r), где f  — предел текучести или предел 
прочности при сжатии.
После исключения из уравнений t минимальная масса корпуса 
батискафа:
при потере устойчивости  
тb  22,9r 3 (рb /Е)1/2,
при разрушении или пластической 
деформации  
mf  2r 3 (рf /f).
Таким образом, параметр эффективности материала при потере 
устойчивости Е1/2/, а при разрушении или пластической деформации — f/. Для расчета использованы значения характеристик 
материалов, представленные в табл. В.1.

Таблица В.1

Характеристики сравниваемых материалов глубоководного батискафа

Материал
Е, ГПа
f, МПа 
Плотность, 
кг/м3 

Оксид алюминия
390
5000
3900

Титановый сплав
120
1200
4700

Алюминиевый сплав
70
500
2700

В табл. В.2 представлены расчетные значения массы и толщины 
стенки корпуса батискафа, соответствующие каждому из возможных механизмов разрушения в зависимости от используемого 
материала.

Таблица В.2

Расчетные значения массы и толщины стенок глубоководного батискафа

Материал
тb, т
tb, мм
mf, т
tf, мм
Механизм разрушения

Оксид алюминия
2,02
41
0,98
20
Потеря устойчивости

Титановый сплав 
4,39
74
4,92
83
Текучесть

Алюминиевый сплав
3,30
97
6,79
200
Текучесть

Оптимальным является оксид алюминия [1].
Примечание. Батискаф предназначен для размещения в нем оборудования. 
В области лаза возможна опасная концентрация деформаций. Коэффициент запаса по разрушающему напряжению для хрупких материалов 
должен приниматься более высоким, чем для пластичных металлических 
материалов. Кроме того, из-за неоднородности структуры массивных изделий прочностные характеристики всех материалов в табл. В.1 завышены, 
но особенно хрупких материалов. Следовательно, в предложенном выше 
сопоставлении различных материалов конструктивная прочность во внимание не принималась.

С учетом особенностей конструкции и технологии изготовления 
в настоящее время корпуса глубоководных аппаратов изготавливают из высокопрочных металлических материалов. Не исключено, 
что в будущем в результате совершенствования конструкции и технологии будет достигнута более высокая прочность конструкций 
из керамических материалов, и они будут использоваться для изготовления корпуса батискафа.