Головна

Конструкційна міцність матеріалів

  1.  XII. Транспортування вибухопожежонебезпечних та пожежонебезпечних речовин і матеріалів
  2.  Аналіз асортименту допоміжних матеріалів
  3.  Безпечна організація при складуванні матеріалів.
  4.  майбутнє метаматеріалів
  5.  Бухгалтерські проводки з обліку матеріалів
  6.  НАЙВАЖЛИВІШІ ГРУПИ функціональних керамічних МАТЕРІАЛІВ
  7.  Вакуумна МЕТАЛІЗАЦІЯ полімерних матеріалів

конструкційна міцність - Це комплексна характеристика матеріалу, що включає поєднання критеріїв його міцності, надійності та довговічності.

А. Кількісна оцінка міцності
 конструкційних матеріалів

критерії міцності конструкційний матеріал вибирають залежно від умов його роботи. Найчастіше кількісним критерієм міцності є руйнівне напруження при відповідному виді деформації, яке розраховують шляхом ділення величини руйнівного сили на площу поперечного перерізу випробуваного зразка:

?рум=Fр/S0; ?ріст=Fр/Sр,

де ?рум - Умовне руйнівне напруження; ?ріст. - Справжнє руйнівне напруження; Fр - Сила, при якій сталося руйнування (розрив) зразка; S0 - Первісна площа поперечного перерізу зразка; Sр - Площа поперечного перерізу зразка в момент руйнування.

Найчастіше використовуються умовні руйнують напруги (через більшої легкості їх визначення).

Розрізняють певну в експерименті технічну міцність і отриману в результаті розрахунку теоретичну міцність.

теоретична міцність твердого тіла (?теор) - Це міцність тіла з ідеальною структурою (без дефектів і пошкоджень) при температурі абсолютного нуля (за відсутності теплового руху) при однорідної статичної деформації розтягування або зсуву, що забезпечує рівну навантаженість всіх зв'язків і їх одночасний розрив по поверхні руйнування.

З урахуванням даного визначення теоретична міцність дорівнює: ?теор=N · Eсв,

де N - Число атомів або зв'язків, що припадають на одиницю площі руйнується перетину;
Eсв - Енергія зв'язку (сила взаємодії) двох сусідніх атомів.

Легко зрозуміти, що від цих же факторів залежить і жорсткість матеріалу, кількісною мірою якої є величина модуля пружності, зсуву або стиснення. У таблиці 1 наведені значення енергій межатомной зв'язку, теоретичної міцності на розрив і модулів пружності ряду металів.

Таблиця 1

Теоретична жорсткість і міцність ряду металів

 матеріал  енергія зв'язку Eсв, КДж / моль  Теоретична міцність ?теор * , ГПа  Модуль пружності E, ГПа
 алюміній
 мідь
 Залізо
 Титан

 * Визначено зі співвідношення ?теор»0,1 Eупр.

Охарактеризуємо докладніше кількісні критерії оцінки технічної міцності матеріалів.

При статичному навантаженні деталей критеріями міцності є, по-перше, руйнівне напруження ?р (Яке в металознавстві часто називають тимчасовим опором розриву і позначають ?в) І, по-друге, межа плинності.

межа плинності (умовний) - Це напруга, якому відповідав би пластична деформація величиною 0,2% (його позначають ?0,2).

Межа плинності (фізичний) ?т визначається по діаграмі розтягування, коли на ній є майданчик плинності.

Таким чином, як ?0,2, Так і ?т характеризують здатність матеріалу (металу) до пластичної деформації (точніше - опір їй).

Оскільки при роботі більшості деталей пластична деформація недопустима, то їх несучу здатність, як правило, визначають за межею текучості.

Для наближеної оцінки статичної міцності використовують твердість матеріалу по Брінеллю НВ (Для стали встановлено емпіричне співвідношення ?В= НВ / 3).

Дуже багато деталей машин працюють в умовах тривалого циклічного навантаження. За критерій міцності в цьому випадку приймають межа витривалості ?R (При симетричному циклі наруженія ?-1).

За величиною обраних критеріїв міцності розраховують допустимі робочі напруги. Зрозуміло, що чим більше міцність матеріалу, тим більше допустимі робочі напруги і тим менше розміри і маса деталі.

Однак збільшення допустимих робочих напруг супроводжується збільшенням пружних деформацій: ?упр= ? /E, де E - Модуль пружності (модуль Юнга).

В цілому ряді випадків величина пружної деформації повинна бути малою, для чого матеріал повинен мати високий модуль пружності (або зсуву). Саме критерії жорсткості, А не міцності обумовлюють розміри станин верстатів, корпусів редукторів і інших деталей, для яких потрібно збереження точних розмірів і форми.

Існує й протилежна вимога. Для пружин, мембран та інших чутливих пружних елементів приладів важливо забезпечити великі пружні переміщення. Для зазначеного завдання від матеріалу потрібен високий межа пружності і низький модуль пружності.

Нарешті, для цілого ряду областей техніки (в тому числі - для авіаційної і ракетно-космічної) важливе значення має ефективність матеріалу, пов'язана з його масою. Вона оцінюється за допомогою питомих показників: питомої міцності - ?р/ (? ·g) і питомої жорсткості - E /(? ·g), де ? - щільність матеріалу; g - прискорення вільного падіння.

Саме за цими параметрами (насамперед - по питомій міцності) пластмаси (конструкційні термопласти і армовані термо- і реактопластів) і волокна успішно конкурують з металами (табл. 2).

Таблиця 2

Питомі міцності ряду матеріалів

 конструкційний матеріал  Щільність ?, кг / м3  Розривна міцність ?р, МПа  Питома міцність ?р/ (? ·g), км
 Вуглецева сталь (Ст 3)  5,23
 Дюралюміній (Д-1)  15,87
 Сплав титану (ВТ-5)  19,27
 Берилієвий сплав (24% Al)  35,15
 полікарбонат  5,53
 текстоліт  7,29
 Склопластик Свамі (10: 1)  45,65

Розроблено класифікацію КМ по їх функціональному призначенню; за цією ознакою всі КМ підрозділяються на наступні 7 груп:

1. Матеріали, що забезпечують жорсткість, статичну і циклічну міцність (стали).

2. Матеріали з особливими технологічними властивостями.

3. Зносостійкі матеріали.

4. Матеріали з високими пружними властивостями (рессорно-пружинні і пружинні матеріали).

5. Матеріали з малою щільністю.

6. Матеріали з високою питомою міцністю.

7. Матеріали, стійкі до впливу підвищених температур і робочого середовища.

Б. Надійність конструкційних матеріалів

Надійність - властивість матеріалу протистояти крихкому руйнуванню. Етой вид руйнування викликає раптову відмову деталей в умовах експлуатації. Крихке руйнування вважається найбільш небезпечним через його розвитку з великою швидкістю при напружених нижче розрахункових і через можливих аварійних наслідків.

Для попередження крихкого руйнування металеві конструкційні матеріали повинні володіти достатньою пластичністю (?, ?) і високою ударною в'язкістю (KCU).

ударною в'язкістю називається питома робота руйнування зразка з надрізом (концентратором напружень) при ударному додатку навантаження (Дж / м2):

KCU = A / F

де KCU - ударна в'язкість при концентраторе напружень типу U; А - робота, витрачена на руйнування; F - площа поперечного перерізу зразка.

Випробування проводяться на спеціальних приладах - маятникових копрах. Зразки мають попередньо виконаний надріз одного з трьох видів:

U - радіус заокруглення в надрізі r = 1 ± 0,07 мм;

V - при r = 0,25 ± 0,025 мм;

Т - тріщина (попередньо створюється в зразку при його циклічному навантаженні).

Відповідно можна отримати одну з трьох величин питомої ударної в'язкості: KCU, KCV або KCT.

На закінчення параграфа про надійність хочеться зробити два зауваження.

По-перше, слід мати на увазі, що високоміцні матеріали, застосування яких неухильно розширюється, як правило, володіють меншою пластичністю і підвищеною схильністю до крихкого руйнування.

По-друге, необхідно пам'ятати про те, що в умовах експлуатації на конструкційні матеріали діють фактори, додатково збільшують небезпеку крихкого руйнування. До таких факторів належать концентратори напружень (надрізи і подряпини), знижені температури, динамічні навантаження, збільшення розмірів деталей (так званий масштабний фактор).

В. Довговічність конструкційних матеріалів

довговічність - Властивість матеріалу чинити опір розвитку поступового руйнування (поступової відмови) і тим самим забезпечувати працездатність деталей протягом заданого часу (ресурсу).

Причини втрати працездатності (поступової відмови) різноманітні: розвиток процесів стомлення, зношування, повзучості, корозії і так далі. Перераховані процеси викликають поступове накопичення незворотних ушкоджень в матеріалі і його руйнування. Отже, забезпечення довговічності матеріалу засноване на зменшенні до необхідних значень швидкості руйнування.

Для більшості металевих деталей машин (> 80%) довговічність визначається опором матеріалу втомним руйнуванням в умовах циклічного навантаження (циклічна довговічність) Або опором зношування в результаті тертя (зносостійкість).

циклічна довговічність характеризується працездатністю матеріалу в умовах багаторазово повторюваних циклів напружень.

цикл напружень - Це сукупність змін напруги в інтервалі ?min - ?max протягом періоду ? (? = 2 · ? / ?, де ? - частота змінного механічного поля).

Процеси поступового накопичення пошкоджень в матеріалі під дією циклічних навантажень, що призводять до зміни його властивостей, утворення тріщин, їх розвитку аж до руйнування, називають динамічної втомою матеріалу, а властивість протистояти втомі (опір втоми) втомної витривалістю.

При експериментальному визначенні втомної витривалості матеріалу за основною прийнятий синусоїдальний цикл зміни напружень (рис. 2).

Синусоїдальний цикл характеризується: коефіцієнтом асиметрії циклу R= ?min/ ?max; амплітудою напруги ?0= (?min-?max) / 2; середнім напругою циклу ?ср= (?min+ ?max) / 2.

 
 

?max?о

?ср

?о

?min

       
   
 
 

Мал. 2. Синусоїдальний цикл зміни напруги

Розрізняють симетричні цикли (R = -1) І асиметричні (R ізмененяются в широких межах). Різні види циклів навантаження відповідають різним режимам роботи деталей машин.

Випробування на втомну витривалість матеріалів проводять на спеціальних машинах, що створюють в зразках багаторазове навантаження (розтягнення-стиснення; вигин; кручення). Зразки (не менше 15 штук) відчувають послідовно при різних значеннях (рівнях) напруг, визначаючи число циклів до руйнування. Результати випробувань зображують у вигляді кривої втоми, яка в логарифмічних координатах ln ?макс - ln N складається з відрізків прямих ліній (рис. 3).

ln ?макс

 
 

ln ?K

ln?R

0

 ln NK ln N? ln N

Мал. 3. Крива втоми стали

Горизонтальний ділянку визначає напругу (?R), Яке не викликає втомного руйнування після необмежено великого або заданого (базового - N?) Числа циклів. Похила ділянка кривої втоми характеризує обмежений межа витривалості, рівний напрузі ?K, Яке може витримати матеріал протягом певного числа циклів (NK).

За базу випробувань N? (Відповідає точці початку горизонтальної ділянки) для сталей і полімерних матеріалів (пластмас) приймають 107циклів, а для кольорових металів - 108 циклів.

1.4.3. Основні теплофізичні властивості конструкційних
 матеріалів

До основних теплофізичних властивостях і характеристикам ставляться:

- Теплопровідність;

- Теплоємність;

- Термічне (теплове) розширення;

- Температури фазових переходів: Тпл і Ткип;

- Температури переходів з одного фізичного стану в інший - для полімерів: Тстеклования ст), Тплавлення пл) І Тплинності (Ттек).

Основні електричні властивості конструкційних
 матеріалів

У твердих тілах перенесення зарядів здійснюється або електронами (провідники 1-го роду - електронні провідники), або іонами (провідники 2-го роду - іонні провідники). За величиною електричної провідності КМ поділяють на три типи: провідники, напівпровідники і діелектрики (ізолятори).

Області значень питомої електропровідності (?) Трьох вищезазначених типів матеріалів наведені нижче:

матеріал ?, Див · м-1?

провідники 108-106

напівпровідники 105-10-8

 Діелектрики менше 10-8

* 1 Див (сіменс) = 1 Ом-1

А. Основні властивості провідників електричного струму:

- Питома об'ємна електрична провідність ?=1 / rV , де rV - Питомий об'ємний електричний опір, Ом · м;

- Щільність матеріалу r= M / V ,кг / м3.

Б. Основні властивості діелектриків:

§ питомий об'ємний електричний опір rV = 1 /? , Ом · м;

§ електрична міцність (міцність на пробій) Епр, МВ / м;

§ діелектрична проникність e ';

§ тангенс кута діелектричних втрат (tgd) і величина діелектричних втрат (здатність до розсіювання електричної енергії у формі
 теплоти).

ТЕХНІЧНІ ПЕРЕВАГИ І НЕДОЛІКИ
 КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ




 Єкатеринбург 2006 |  Вступна частина |  Способи виробництва металів (Ме) |  Способи виробництва полімерних матеріалів |  Коротка характеристика чорних металів |  Вуглецеві сталі звичайної якості |  Коротка характеристика чавунів |  Феросплави |  Коротка характеристика титану і сплавів на його основі |  Коротка характеристика алюмінію і алюмінієвих сплавів |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати