Основные механические характеристики металлов

Прочностные характеристики:

- Предел пропорциональности σ_пц – растягивающее напряжение, при котором деформация перестает быть пропорциональной напряжению;

- Предел текучести σ_т – растягивающее напряжение, при котором деформация растяжения начинает расти без увеличения нагрузки;

- Условный предел текучести σ_0,2 – растягивающее напряжение, при котором остаточная деформация, превышающая упругую, составляет 0,2%;

- Предел прочности при растяжении (временное сопротивление разрыву) σ_в – условное напряжение, получаемое делением нагрузки F_max на площадь первоначально поперечного сечения А:

;

- Предел выносливости σ_-1– наибольшее напряжение, при котором образец выдерживает без разрушения заданное количество циклов нагружения.

Расчет конструкции на прочность производят по допускаемым напряжениям [s], определяемым из условий прочности при статическом нагружении или долговечности при циклическом нагружении. При статическом нагружении допускаемое напряжение равно отношению предельного для данного материала напряжения к коэффициенту запаса прочности n. Для пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести, для хрупких – временное сопротивление:

[s]=s_т/n_т или [s]=s_в⁄n_в.

Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов: разброса характеристик прочности, присутствия в материале дефектов, степени схематизации расчетной процедуры и т.д.

В России за допускаемое напряжение принимается минимальное напряжение. определяемое по пределу текучести или временному сопротивлению. Такая же методика принята во многих странах. Однако, в некоторых странах, например, в Чехии, Словакии, Германии, Польше для определения допускаемых напряжений расчет ведется только по пределу текучести, а в Японии - по временному сопротивлению.

Коэффициент запаса прочности может меняться в широких пределах в зависимости от условий работы оборудования и опыта работы с данным материалом.

По данным отечественной практики рекомендуемые значения коэффициентов запаса для серийных материалов обычной техники составляют n_т=1,5 и n_в=2,4.

Однако расчеты на прочность по номинальным напряжениям не всегда гарантируют необходимый ресурс работы конструкций.

Это связано с тем, что назначаемые запасы прочности не учитывают ряда факторов, способствующих возникновению повреждений и разрушений конструкций и машин. К этим факторам относятся: присутствие в металле дефектов типа трещин, как исходных, так и возникающих в процессе эксплуатации; наличие микро- и макронеоднородностей металла по толщине, в зонах сварных швов и т.д.; появление локальных напряжений вследствие их концентрации, а также остаточных технологических напряжений; нестабильность эксплуатационного нагружения из-за статических и импульсных перегрузок, стационарных и нестационарных циклических нагрузок. Для учета этих факторов необходим переход от расчета по номинальным напряжениям к анализу локальных напряжений, возникающих в отдельных зонах изделия.

Для высокопрочных материалов расчет допустимых напряжений следует проводить на основе принципов механики разрушения с учетом максимальных размеров дефектов. Это связано с тем, что повышение прочности обычно сопровождается уменьшением пластичности и вязкости материала. При этом широко используют понятие коэффициента вязкости разрушения при плоской деформации К_1с (об этом ниже будем говорить подробнее). Для большинства конструкционных материалов коэффициент К_1с обратно пропорционален пределу текучести.

Пластичность характеризует способность материала к пластическому течению, а вязкость – способность поглощать энергию внешних сил при разрушении.

У разных материалов соотношение пластичности и вязкости может сильно различаться.

Пластичность в определенной степени показывает способность металла к перераспределению напряжений в зонах концентрации (пиков). Пластическая деформация как бы предохраняет металл от резких локальных перегрузок вблизи концентраторов напряжений. В машиностроении считают пластичность конструкционной стали удовлетворительной при относительном удлинении d³12 - 15%.

Характеристики пластичности:

- Относительное удлинение δ – отношение остаточного удлинения к первоначальной длине рабочей части образца при одноосном растяжении

;

- Относительное сужение ψ – отношение изменения площади поперечного сечения образца к первоначальной площади рабочей части образца

Основными величинами, характеризующими упругость, являются:

Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга);

G – модуль упругости второго рода (модуль сдвига);

К – модуль всестороннего сжатия (объемной упругости);

μ – коэффициент Пуассона.

Эти четыре величины связаны между собой двумя соотношениями:

Три указанных модуля (E, G, K) характеризуют пропорциональность между напряжением и упругой деформацией соответственно при растяжении, сдвиге и всестороннем сжатии. Это является следствием элементарного закона Гука для деформации в упругой области

; ; ,

где σ, τ и ρ – напряжения: нормальное, касательное и всестороннего сжатия;

ε, g и - относительное растяжение, сдвиг и изменение объема.

Здесь предполагается, что напряжение и деформация совпадают по направлению.

Коэффициент Пуассона μ характеризует изменение объема тела при упругой деформации: увеличение при растяжении и уменьшение при сжатии. Например, при одноосном растяжении увеличение объема тела вследствие его удлинения только частично компенсируется поперечным сужением.

Для большинства металлов и сплавов μ находится в пределах 0.25 – 0.35; наименьший найден у бериллия (Be) – 0.039, наибольший – у свинца (Pb) – 0.44, Tl и In – 0,46.

Характеристики твердости металлов:

- твердость по Бриннелю НВ – отношение нагрузки, вдавливающей стальной шарик в исследуемый материал, к площади поверхности сферической лунки в материале:

где D – диаметр шарика,

d – диаметр отпечатка;

- твердость по Виккерсу (HV) – отношение нагрузки на стандартную пирамиду при вдавливании ее вершиной в испытуемый материал к площади поверхности отпечатка;

- твердость по Роквеллу (HRC, HRA) – условная характеристика, значение которой непосредственно отсчитывается по шкале твердомера.

Кроме того, к числу достаточно значимых характеристик конструкционных материалов можно отнести ударную вязкость – величину, оценивающую работу разрушения разрезанного образца при ударном изгибе на маятниковом керне, равную отношению работы разрушения, к площади поперечного сечения образца. Эта характеристика необходима в первую очередь для сплавов, работающих при низких температурах.

В случае длительного нагружения конструкций при высоких температурах проводятся испытания ползучести и длительной прочности материала.

Дата добавления: 2014-01-05