Конструкционная прочность материалов

Как определяют свойства металлов?

Для испытания металлов на прочность применяют химические, физические и технологические методы. Твердость определяет, как сопротивляются материалы деформациям. Стойкий металл имеет большую прочность и детали, изготовленные из него, меньше снашиваются. Для определения твердости вдавливают шарик, алмазный конус или пирамидку в металл. Значение твердости устанавливают по диаметру отпечатка или по глубине вдавливания предмета. Более крепкий металл меньше деформируется, и глубина отпечатка будет меньше.

А вот образцы на растяжение испытываются на разрывных машинах с плавно нарастающей при растягивании нагрузкой. Эталон может иметь в сечении круг или квадрат. Для проверки металла противостоять нагрузкам ударного характера проводят испытания на удар. В середине специально изготовленного образца делают надрез и устанавливают его напротив ударного устройства. Разрушение должно происходить там, где слабое место. При испытании металлов на прочность структуру материала исследуют рентгеновскими лучами, ультразвуком и при помощи мощных микроскопов, а также используют травление химическими веществами.

Прикладное применение

Обеспечение прочности машин, аппаратов и конструкций осуществляется следующим образом. На стадии их проектирования производится расчётная или экспериментальная оценка возможности развития в несущих элементах проектируемых конструкций процессов разрушений различных типов: усталостного, хрупкого, квазистатического, разрушения вследствие ползучести материала, коррозии, износа в процессе эксплуатации и т. п. При этом должны быть рассмотрены все возможные в условиях эксплуатации конструкции, известные на данный момент механизмы разрушения материала, из которого выполнены её несущие элементы. Для вновь создаваемого класса машин или аппаратов указанные механизмы разрушения выявляются на стадии научно-исследовательского цикла проектирования. С каждым из таких механизмов разрушения связывается определённый критерий прочности — та или иная характеристика физического состояния материала элементов машин и аппаратов, определяемая расчётным или экспериментальным путём. Для каждого из критериев прочности материала конструкции экспериментально устанавливаются его предельные значения. По предельным значениям далее определяются допускаемые значения этих критериев. Последние определяются, как правило, путём деления предельных значений критерия прочности на соответствующий коэффициент запаса прочности. Значения коэффициентов запаса прочности назначаются на основе опыта эксплуатации с учётом степени ответственности проектируемой конструкции, расчётного срока её эксплуатации и возможных последствий её разрушения.

Значения коэффициентов запаса прочности для различных механизмов разрушения различны. При расчёте по допускаемым напряжениям они изменяются, как правило, в диапазоне значений от 1,05 (при обеспечении прочности элементов летательных аппаратов, имеющих краткий жизненный цикл и не предназначенных для транспортировки людей) до 6 (при обеспечении прочности тросов, используемых в конструкциях пассажирских лифтов). При расчёте по допускаемому числу циклов нагружения могут использоваться существенно большие значения этих коэффициентов. Расчёт наиболее ответственных и энергонасыщенных конструкций машин и аппаратов регламентируется отраслевыми нормами и стандартами. По мере накопления опыта эксплуатации, развития методов исследования физического состояния конструкций и совершенствования методов обеспечения прочности эти нормы и стандарты периодически пересматриваются.

Разрушения

Хрупкое и вязкое разрушение имеют разные виды разрушенной поверхности. Характер дефектов дает понятие, какого рода разрушение имеет место. При хрупком разрушении поверхность надломлена. При вязком разрушении поверхность натянута (вяжет разрушение).

Вязкость разрушения — это относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины при переходе её от стабильной к нестабильной стадии роста.

Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала. Увеличение прочности сопровождается снижением пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении, уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего вязкость разрушения уменьшается. Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения, чем высокопрочные. С понижением температуры прочность растет и при определённых условиях поведение материала средней и низкой прочности становится таким же, как у высокопрочного материала при комнатной температуре. При низких температурах испытание вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров.

Общие принципы расчета вертолета на прочность

В Нормах прочности предусматривается также: действие отрицательной перегрузки = —0,5 при вводе в планирование, энергичные развороты вертолета на висении, воздействие вертикальных и боковых порывов воздуха и др. Каждый из расчетных случаев является определяющим для прочности той или иной части или агрегата вертолета.

Посадочные расчетные случаи рассматривают различные варианты посадки: на все опоры, только на основные, посадка с боковым ударом и т. д.

Наземные расчетные случаи рассматривают воздействие ветра, буксировку вертолета по неподготовленной площадке и др.

Особая сложность расчета вертолета на прочность состоит в том, что основные его нагрузки, например, силы от лопастей НВ, имеют переменный по величине и направлению характер, что вызывает колебания самих лопастей и конструкции вертолета в целом. Такое нагружение называется динамическим. При длительном действии многократно повторяющихся нагрузок разрушение конструкции происходит при напряжениях, значительно меньших, чем при постоянной, статической нагрузке. Это объясняется явлением усталости материала.

В Нормах прочности приводятся также все необходимые данные для расчета жесткости конструкции, ее динамической прочности и ресурса (срока службы).

7.4 Прочность и устойчивость сквозных стержней

7.4.1 Сквозные
стержни с решёткой, нагруженные продольными и поперечными силами, а также
моментами, рассчитываются как конструкции (суперэлементы), а для проверяемых
элементов производится проверка их несущей способности и долговечности.

7.4.2 Сквозные
стержни на планках работают в условиях близких к продольному центральному
сжатию. При таком нагружении планки оказываются нагруженными перерезывающими
силами за счёт эксцентриситетов приложенных продольных сил. При этом одна
половина планки работает как консольный стержень, её расчётная схема показана
на , где:

L — длина сквозного стержня;

b— поперечный размер сквозного стержня;

n— число планок в одной грани сквозного стержня;

λ — гибкость сквозного стержня;

— деформация текучести;

e и е1— эксцентриситеты приложения встречных сил на концах
сквозного стержня, на рисунке 7.2 эксцентриситеты показаны положительными;

N- сжимающие силы, действующие по одной линии;

Q — перерезывающая сила, приложенная к среднему сечению планки;

— минимальная безразмерная стрелка начальной погиби,
при наличии технических условий значение может быть принято
иным.

Рисунок 7.2 — Расчетная схема планки сквозного стержня

7.4.3 Величина
перерезывающей силы определяется по формуле:

(7.9)

При или при
неопределённых эксцентриситетах принимается минимальное значение перерезывающей
силы:

(7.10)

В соответствии
с принятой расчётной схемой вычисляются геометрические размеры планки как
консольного стержня и сварных швов прикрепления планки к поясу (см. ).

7.4.4 Проверка
устойчивости сквозного стержня в целом осуществляется следующим образом:
рассчитывается несущая способность второй (слабой , ) ветви стержня в
пределах панели Nп, а затем вычисляется несущая способность
стержня в целом.

В пределах
следующих диапазонов:

,

λ2
= 20÷80 гибкость второй (слабой) ветви в пределах панели, суммарная
несущая способность центрально сжатого сквозного стержня определяется по
формуле:

(7.11)

где:

суммарная площадь сечения обоих
ветвей;

— отношение площадей поперечных сечений
ветвей;

— отношение усилий в ветвях в критическом
состоянии;

— коэффициент снижения расчётного
сопротивления, зависящий от вида поперечного сечения ветвей.

На
рисунке 7.3 показаны два типа сечений сквозных стержней с тавровым и различными
сечениями второй ветви и приведены соответствующие значения коэффициентов k и ζ,.

Рисунок 7.3 — Сечения сквозных стержней

Зависимость для крайних значений k =
1 и k = 2 дана в таблице 7.5,

для
промежуточных значений kи λ,
величина β определяется при помощи линейной интерполяции.

Таблица
7.5

λ

k= 1

k = 2

20

0.921

0.927

40

0.857

0.863

60

0.766

0.778

80

0.620

0.653

100

0.402

0.484

120

0.140

0.308

140

-0.0905

0.149

160

-0.271

0.0230

Прочностная характеристика — материал

Прочностные характеристики материала в значительной степени определяются наличием вакансий в кристаллической решетке, благодаря чему создается возможность перемещения атомов. Образовавшиеся при достаточно высокой температуре вакансии ведут себя как примесь, вызывая добавочное рассеяние электронных волн, что ведет к появлению добавочного сопротивления, пропорционального концентрации примесей.

Прочностные характеристики материалов установлены для статических и для динамических нагрузок.

Прочностные характеристики материалов могут изменяться также в зависимости от тех условий, в которых материал работает. Это изменение прочностных характеристик учитывается коэффициентами условий работы. Коэффициенты условий работы делятся на основные и дополнительные.

Прочностные характеристики материалов в зависимости от температуры Т определяют на основе экспериментов.

Какие прочностные характеристики материала можно получить при испытании на сжатие малоуглеродистой стали, чугуна, бетона, дерева.

Поскольку прочностные характеристики материала изделия имеют определенную связь с его структурой, то, контролируя зависящее от структуры удельное электросопротивление, можно вести контроль ряда прочностных характеристик. В работе рассматривается эта связь на примере латуней и алюминиевых бронз. При отпуске латуней и алюминиевых бронз имеют место как бы две стадии процесса упорядочения. Если температура длительного отпуска закаленных сплавов растет, то вначале имеет место снижение удельного электросопротивления, что — объясняется упорядочением, соответствующим ближнему порядку. Ближний порядок появляется во многих относительно небольших областях кристаллической решетки и связан со сжатием ее.

Знание прочностных характеристик материалов и характеристик процессов нагружения позволяет провести полный расчет прочностной надежности конструкции.

Выявление прочностных характеристик материалов стволов дымовых труб являются определяющими при расчетах их устойчивости.

Улучшение прочностных характеристик материалов турбинных колес дизелей с наддувом является важной задачей в повышении их надежности.

Определение прочностных характеристик материалов каменных кладок стен связано со значительными трудностями и в настоящее время достоверные данные могут быть получены только лабораторным испытанием вырубленных из конструкций камней и слепков, составленных из раствора кладки. Поверхностный слой раствора и камня в процессе эксплуатации изменяет свои физико-механические свойства. Претерпевает изменения, иногда существенные, и структура растворного камня и камней кладки.

Информационный фонд Прочностные характеристики материалов содержит величины пределов прочности, пределов текучести и пределов длительной прочности в зависимости от температуры для всей номенклатуры применяемых сталей.

Для исследования прочностных характеристик материалов, деформируемых с высокими скоростями, применяется установка СД-4. Нагружение образца осуществляется пневматическим силовым механизмом, скорость действия которого регулируется гидравлическим тормозом.

Укрупнение частиц ухудшает прочностные характеристики материалов, в том числе, покрытий, которые при этом становятся более хрупкими.

Определить, какие прочностные характеристики материалов непосредственно связаны с возможностью разрушения, и на основе этой информации выбрать один или несколько подходящих материалов

При этом также важно иметь в виду стоимость и доступность этих материалов.
 . Основным методом определения прочностных характеристик материала до сих пор остаются стандартные испытания на растяжение, ударную вязкость и угол загиба, что предполагает вырезку из конструкции темплетов и изготовление из них соответствующих образцов

Этот метод обладает, по крайней мере, гремя недостатками.

Основным методом определения прочностных характеристик материала до сих пор остаются стандартные испытания на растяжение, ударную вязкость и угол загиба, что предполагает вырезку из конструкции темплетов и изготовление из них соответствующих образцов. Этот метод обладает, по крайней мере, гремя недостатками.

Как проводятся испытания на производствах

Для проведения испытаний, целью которых является определение текучести материала, берут цилиндрическую заготовку диаметром 20 мм и длиной более 10 мм. На детали делают насечки для получения отрезка длиной 10 мм. Сама заготовка должна быть больше этой длины для того, чтобы ее можно было захватить с двух сторон.

Поведение сталей при высоких температурах

Деталь зажимают в тиски и начинают растягивать, постепенно увеличивая силу растяжения. В процессе произведения нагрузки производят замеры растущего удлинения образца. Полученные данные заносят в график, называемый диаграммой условного растяжения.

Если на заготовку оказывается небольшая нагрузка, она растягивается в обе стороны пропорционально. По мере увеличения силы растяжения достигается предел пропорциональности, после чего деталь растягивается неравномерно. Предел текучести стали определяется в тот момент, когда материал уже не может вернуться к первоначальной длине.

Существуют Государственные Стандарты и Технические Условия, в которых значения предела текучести разделены на четыре класса:

  • 1 класс – до 500 кг/см2;
  • 2 класс – до 3000 кг/см2;
  • 3 класс – до 4000 кг/см2;
  • 4 класс – до 6000 кг/см2.

Определение пластичности

Показатель пластичности является не менее важным параметром, который обязательно учитывается в процессе проектирования конструкций. Он определяется двумя параметрами:

  • остаточным удлинением;
  • сужением при разрыве.

Чтобы рассчитать остаточное удлинение, производят замер двух частей детали после разрыва. Длину каждой части складывают, а затем определяют процентное соотношение к первоначальной длине. У более прочных металлических сплавов этот показатель меньше.

Характеристики пластичности стали

Определение хрупкости

Хрупкость – это свойство, противоположное пластичности. Показатель хрупкости зависит от множества факторов. К ним относятся:

  • температура воздуха (при низких температурах хрупкость материала увеличивается);
  • увеличение скорости оказываемой нагрузки;
  • влажность воздуха и пр.

Изменение этих условий приводит к изменению показателя хрупкости. К примеру, чугун – хрупкий материал. Но если чугунную деталь зажать со всех сторон, она способна перенести значительные нагрузки. А стальной прут с насечками становится невероятно хрупким.

Определение прочности

Прочность – это характеристика металла, определяющая его способность выдерживать нагрузки, не разрушаясь полностью. Для испытаний берут деталь и создают для нее условия, максимально приближенные к эксплуатационным, путем постепенного увеличения нагрузок.

Прочность стали на растяжение при изгибе

Состав стальных сплавов

Свойства металла зависят от сформированной кристаллической решетки, которая, в свою очередь, определяется содержанием углерода. Зависимость типов решетки от количества углерода хорошо прослеживается на структурной диаграмме. Если, например, в решетке стали насчитывается до 0.06% углерода, то это классический феррит, который имеет зернистую структуру. Такой материал непрочный, но текучий и имеет большой предел ударной вязкости.

По структуре стали делятся на:

  • ферритную;
  • перлитно-ферритовую;
  • цементитно-ферритную;
  • цементитно-перлитовую;
  • перлитную.

Добавки углерода и прочность

Закон аддитивности подтверждается процентными изменениями цементита и феррита в стали. Если количество углеродной добавки составляет около 1,2%, то предел текучести стального материала увеличивается и повышается твердость, прочность и температуростойкость. При последующем увеличении содержания углерода технические параметры ухудшаются. Сталь плохо сваривается и неохотно поддается штамповке. Самым лучшим образом при сварке ведут себя сплавы с небольшим содержанием углерода.

Марганец и кремний

В виде добавки, чтобы увеличить степень раскисления, дополнительно добавляют марганец. Кроме того, этот элемент уменьшает вредное воздействие серы. Содержание марганца обычно не более 0.8% и он не влияет на технологические свойства сплава. Присутствует как твердый компонент.

Кремний тоже особо не влияет на характеристики металла. Он необходим для увеличения качества сварки деталей. Содержание этого элемента не превышает 0.38% и он добавляется во время процесса раскисления.

Сера и фосфор

Сера содержится в виде хрупких сульфитов. Повышенное количество этого элемента влияет на механические показатели сплава. Чем больше серы, тем хуже пластичность, текучесть и вязкость сплава. Если превышен предел в 0.06%, то изделие сильнее подвержено коррозии и становится способным к сильному истиранию.

Наличие фосфора увеличивает показатель текучести, но при этом уменьшается пластичность и вязкость. В общем, завышенное содержание фосфора значительно ухудшает качество металла. Особенно вредно сказывается на характеристиках совместное высокое содержание фосфора и углерода. Допустимыми пределами содержания фосфора считаются значения от 0.025 до 0.044%.

Азот и кислород

Это неметаллические примеси, которые понижают механические свойства сплава. Если содержание кислорода больше чем 0.03%, то металл быстрее стареет, падают значения пластичности и вязкости. Азотные добавки увеличивают прочность, но в этом случае предел текучести уменьшается. Увеличенное содержание азота делает сталь ломкой и способствует быстрому старению металлической конструкции.

Поведение легирующих добавок

Для улучшения всех физических показателей стали, в сплав добавляют специальные легирующие элементы. Такими добавками могут быть вольфрам, молибден, никель, хром, титан и ванадий. Совместное добавление в необходимых пропорциях, дает самые приемлемые результаты.

Классы прочности и их обозначения

Нормативными документами по механическим свойствам крепежных изделий введено понятие класс прочности металла и установлена система обозначения. Каждый класс прочности обозначается двумя цифрами, между которыми ставится точка. Первое число означает предел прочности, уменьшенный в 100 раз. Например, класс прочности 5.6 означат, что предел прочности будет 500. Второе число увеличено в 10 раз – это отношение предела текучести к временному сопротивлению, выраженному в процентах (500х0,6=300), т. е. 30 % составляет минимальный предел текучести от предела прочности на растяжение. Все изделия, используемые для крепежа, классифицируются по назначению применения, форме, используемому материалу, классу прочности и покрытию. По назначению использования они бывают:

  • Лемешные. Их используются для сельскохозяйственных машин.
  • Мебельные. Применяются в строительстве и мебельном производстве.
  • Дорожные. Ими крепят металлоконструкции.
  • Машиностроительные. Применяют в машиностроительной промышленности и приборостроении.

Механические свойства крепежных изделий зависят от стали, из которой они изготовлены и качества обработки.

Современные методы расчета

Для расчёта напряженно-деформируемого состояния конструкции и определения её прочности применяются современные наукоемкие технологии — системы компьютерного инженерного анализа, основанные на применении сеточных методов решения задач математической физики. В настоящее время одним из наиболее эффективных и универсальных методов этого класса является метод конечных элементов (МКЭ).

Наиболее распространённые системы КЭ анализа:

ANSYS — универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;

NX Nastran — универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором FEMAP.

ПК ЛИРА-САПР — система КЭ анализа строительных и машиностроительных конструкций.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector