Техническая механика

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

1. Назначение и виды механических испытаний

2. Типы и устройство испытательных машин

3. Форма стандартных образцов для испытаний материалов на растяжение

4. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

5. Основные механические характеристики материала: предел пропорциональности; предел упругости; предел текучести; предел прочности

6. Работа, затраченная на разрушение образца

7. Показатели пластичности материала

8. Разгрузка и повторное нагружение. Упрочнение, наклеп

9. Упругая и пластическая деформации, механизмы их образования

10. Понятие о последействии (ползучесть, релаксация)

11. Форма стандартных образцов для испытаний материалов на сжатие

12. Диаграмма сжатия пластичных материалов

13. Диаграммы растяжения и сжатия хрупких материалов

14. Сравнительная характеристика свойств пластичных и хрупких материалов

15. Влияние скорости нагружения на механические характеристики материалов

16. Определение допускаемых напряжений для пластичных и хрупких материалов

17. Понятие о методе расчета конструкций по допускаемым напряжениям

18. Определение модуля упругости Юнга, коэффициента поперечной деформации Пуассона, ударной вязкости и твердости материал

19. Понятие о концентрации напряжений

20. Усталость материалов

Список используемой литературы

1. Назначение и виды механических испытаний

материал растяжение деформация испытание

Испытания материалов производится в целях определения механических характеристик, таких, как предел текучести, предел прочности, модуль упругости и т.д. Кроме того, оно может производиться в исследовательских целях, например для изучения условий прочности в сложных напряжённых состояниях или вообще для выявления механических свойств материала в различных условиях.

Испытания материалов производится с образцами, размеры и форма которых могут варьироваться в зависимости от имеющейся измерительной аппаратуры и самих условий испытаний.

Одним из видов механических испытаний являются технологические пробы, дающие не объективные, а только сравнительные характеристики свойств материала при строго регламентированных условиях испытания. Сюда относятся испытания на твёрдость, на ударную вязкость и некоторые другие. В некоторой мере к технологическим пробам могут быть отнесены также испытания на усталостную прочность. К технологическим пробам относится проба металлов на загиб до заданного угла, до параллельности сторон образца на оправке установленного диаметра, до соприкосновения сторон; проба проволоки на перегиб, всевозможные испытания труб и т. д. Технологическим пробам подвергаются холодные и нагретые образцы. Испытание моделей, узлов или конструкций производится как при нормальной, рабочей нагрузке, так и в условиях перегрузки с доведе-нием их до разрушения. Кроме предельных нагрузок, измеряются деформации на отдельных участках.

Испытания на выносливость или усталость характеризуются повторными или повторно-переменными, циклически изменяющимися нагрузками, которые неоднократно применяют к исследуемому образцу. В процессе испытания определяются величины опасных циклических напряжений, а также иногда измеряются температурные изменения образца, величина работы и деформации. Регистрация количества циклов нагружения образца производится автоматически, при помощи специальных счетчиков.

Испытания на твердость служат для оценки сопротивления образцов и деталей пластической деформации на поверхности или по сечению. Эти испытания применяются для контроля качества металлов и деталей в процессе их производственной обработки. Кроме того, они служат для определения некоторых характеристик механических свойств металлов.

Испытания на износ и истирание заключаются в определении изменений механических свойств материалов на их поверхности после длительного воздействия сил трения, а также в установлении у образцов потери в весе; при этих испытаниях обычно применяют метод сравнения.

На основании полученных данных вычисляются напряжения, которые служат для проверки расчетных схем, выявления слабых мест машины или конструкции в отношении прочности отдельных деталей, и характера распределения в них напряжений, возникающих в процессе работы при заданных условиях.

Перечисленные виды испытаний являются основными из применяемых лабораторной техникой для оценки механических свойств металлов.

Необходимость считаться с внешними физическими условиями, при которых работают некоторые механизмы, приводит к тому, что испытания часто приходится проводить при анормальных температурах или помещая образец в различные коррозионные среды.

Сравнивать получаемые числовые значения механических характеристик можно лишь в том случае, если испытания проводятся по единой методике. Такая методика, соответствующая современному состоянию испытательной техники, установлена в СССР Государственными общесоюзными стандартами.

Каждый ГОСТ на методы испытаний материалов содержит не только терминологические определения и правила проведения испытаний, но и дает исчерпывающие указания относительно порядка изготовления образцов, их формы, размеров и клеймения. В ГОСТ отражены основные требования к испытательной аппаратуре, даны указания о приемах обработки результатов и приведены примерные формы журнальной записи.

2.Типы и устройство испытательных машин

В зависимости от времени приложения нагрузки и назначения испытательные машины делятся на следующие группы:

1. Машины с кратковременным приложением статических нагрузок:

- для испытания на растяжение (разрывные машины);

- для испытания на сжатие и изгиб (прессы);

- для испытания на растяжение, сжатие, изгиб (универсальные машины);

- для испытания на кручение;

- для испытания в условиях сложного напряженного состояния;

- для испытания на твердость.

2. Машины с длительным приложением статических нагрузок:

- для испытания на длительную прочность и ползучесть;

- для испытания на релаксацию напряжений.

3. Машины для испытаний при ударных нагрузках (копры).

Для большинства испытательных машин со статическим приложением нагрузок характерно вертикальное расположение оси образца в захватах машины. К достоинствам таких машин относятся более удобное центрирование образца по оси приложения нагрузки и, как правило, исключение влияния веса захватов, компактность конструкции. Горизонтальные машины, в которых ось образца размещается горизонтально, применяются в основном только для испытаний на растяжение длинных канатов, цепей, стержней и т. п., а также для испытаний на кручение. Важными характеристиками испытательных машин являются характеристики привода и силоизмерителя. Различают два типа приводов к испытательным машинам: механический и гидравлический.

При механическом приводе деформация образца производится перемещением активного захвата машины, как правило, нижнего. Это перемещение происходит при помощи червячной передачи и может осуществляться механически или вручную. Применение механического привода дает возможность при работе точнее останавливаться на заданных значениях нагрузки, что значительно облегчает определение модуля упругости, пределов пропорциональности и текучести. Механические приводы используются преимущественно в испытательных машинах с предельной нагрузкой до 0,15 Мн (15 Т), для машин с большими предельными нагрузками применяются гидравлические приводы. При наличии гидравлического привода деформация образца производится перемещением активного захвата, связанного с поршнем рабочего цилиндра. Гидравлический привод значительно упрощает конструкцию машины, позволяет изменять скорости нагружения в больших пределах, чем при механическом приводе.

Силоизмерители испытательных машин могут быть рычажные, пружинные и манометрические.

Разрывные машины используются для испытания различных материалов на растяжение, сжатие, изгиб, разрыв, деформацию и т.д. Испытательные машины могут устанавливаться в лабораториях предприятий, строек, в учебных заведениях, в учреждениях академической и прикладной науки.

Машины для испытания на растяжение (разрывные машины) при применении реверсора могут быть использованы для испытаний на сжатие.

Машины для испытания на кручение изготовляются в основном с горизонтальным расположением оси испытуемого образца. Машины для испытаний образцов в условиях сложного напряженного состояния имеют ограниченное применение и используются в основном в лабораториях научно-исследовательских институтов. Такие машины состоят обычно из комплекса механизмов, каждый из которых может самостоятельно воздействовать на образец и воссоздавать один из видов напряженного состояния. Примером такой машины может быть машина, создающая нагрузку до 0,3 Мн (30 Т). Она состоит из универсальной гидравлической машины с рычажномаятниковым силоизмерителем, узла для создания крутящего момента на головке траверсы, масляного насоса для осуществления внутреннего давления в трубчатом образце через специальные головки машины, системы гидроаккумуляторов и регистрирующей аппаратуры.

Испытательные прессы используются для проверки прочности при сжатии строительных и прочих материалов.

Машины для испытания на кручение предназначены для испытания на кручение металлов, неметаллов и многослойных материалов. Принцип действия машин заключается в скручивании испытываемого образца на определенный угол с измерением величины крутящего момента. Вся работа по проведению испытания может быть выполнена с помощью встроенной программы, предназначенной для осуществления автоматического сбора, хранения, обработки и отображения данных об испытании, результаты можно распечатать на принтере.

3.Форма стандартных образцов для испытаний материалов на растяжение

Почти все металлы подвергаются испытанию на прочность при растяжении. Для испытания на растяжение применяют разрывные машины. Для проведения испытаний на растяжение используют стандартные образцы круглого или прямоугольного сечения, которые закрепляется в захватах машины. При включении машины захваты расходятся в разные стороны, а образец постепенно растягивается. Чем больше растягивающее усилие, тем больше удлиняется образец. О величине усилия судят по стрелке прибора, установленного на машине. Может наступить момент, когда образец не выдержит приложенного к нему усилия и разорвется.

Рабочей длиной L называется длина цилиндрической части образца до перехода к головкам. Расчетной длиной называется длина, на которой производится определение удлинения. Головки образца препятствуют развитию деформации в прилежащих к ним частях образца, поэтому берется меньше L на диаметр образца. Для стандартных образцов применяют равным 10do и 5do .

4. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

Испытание на растяжение является одним из видов испытания, позволяющим выявить наиболее важные свойства материалов. Испытание образца на разрыв производится на гидравлической испытательной машине УММ-10. Машина состоит из 2-х основных частей, связанных маслопроводами: узла собственно машины, узла пульта управления, включающего силоизмеритель, насосную установку, создающую рабочее усилие, и систему управления.

Если мы обратим внимание на диаграмму растяжения, то мы увидим зону ОА,которая носит название зоны упругости. Материал в этой стадии испытывает только упругие деформации, такие которые исчезают после снятия нагрузки. Ордината т.А - Рп - называется силой, соответствующей пределу пропорциональности.

Выше т. А прямая пропорциональность между нагрузкой и деформациями нарушается, рост нагрузки замедляется и вскоре совсем прекращается в т. В).

Зона ВС называется зоной общей текучести, а участок ВС диаграммы - площадкой текучести. Здесь происходит существенное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Рт- сила, соответствующая пределу текучести материала.

За площадкой текучести начинается возрастание нагрузки, но значительно медленное, чем в упругой стадии, заканчивается в т. Д. Эта зона СД называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более медленным, чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образовываться так называемая шейка - местное сужение образца. По мере растяжения образца утонение шейки прогрессирует. Когда относительное уменьшение площади сечения сравняется с относительным возрастанием напряжения, сила Р достигнет максимума в точке Д. РВ- самая большая нагрузка называется сила, соответствующая пределу прочности.

Зона ДЕ называется зоной местной текучести. Точка Е соответствует разрушению образца.

Если испытуемый образец, не доведя до разрушения, разгрузить, то в процессе разгрузки зависимость между силой Р и удлинением ?l изобразится прямой KL. Опыт показывает, что эта прямая параллельна прямой ОА. При разгрузки удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругой части удлинения. Отрезок OL представляет собой остаточное удлинение, а соответствующую ему деформацию - пластической деформацией. Таким образом, OM=?lупр+?lост

5. Основные механические характеристики материала: предел пропорциональности; предел упругости; предел текучести; предел прочности

Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределом пропорциональности (РП). Величина предела пропорциональности зависит от той степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую.

F0-площадь поперечного сечения образца до проведения эксперимента.

Считают, что если тангенс угла между касательной и осью на криволинейном участке оказался в 1,5 раза больше, чем вышеупомянутый, то предел пропорциональности достигнут.

Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости (РУ ) - наибольшего напряжения, до которого материал не получает остаточных деформаций. Для того чтобы найти предел упругости, необходимо после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и следить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точности, которые накладываются на производимые замеры.

Предел текучести РТ - напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация eост = 0,002 или 0,2% . В некоторых случаях устанавливается предел eост =0,5%. Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности РВ. Предел прочности не есть напряжение, при котором разрушается образец. Если относить растягивающую силу не к начальной площади сечения образца, а к наименьшему сечению в данный момент, можно обнаружить, что среднее напряжение в наиболее узком сечении образца перед разрывом существенно больше.Таким образом, предел прочности также является условной величиной. В силу удобства и простоты ее определения она прочно вошла в расчетную практику как основная сравнительная характеристика прочностных свойств материала.

6. Работа, затраченная на разрушение образца

A = з*Рв.* Дlполн - работа, затраченная на разрыв образца,

где з - коэффициент полноты диаграммы; для малоуглеродистой стали его можно принять равным 0,85; Дlполн. - полная деформация образца, определяемая в основном деформацией рабочего участка.

А0=А/V0=А/( lраб*F0)= з*Рв*еполн - удельная работа, затраченная на разрыв:

У пластичных сталей удельная работа, затрачиваемая на разрыв, как правило, бывает больше, чем у хрупких сталей, обладающих большим пределом прочности. Объясняется это тем, что величины деформаций пластичных сталей значительно больше.

По найденным выше характеристикам можно построить диаграмму "напряжение - относительная деформация" е ? у. Эта диаграмма в основном имеет такой же характер, что и диаграмма р - Дl . Диаграмма называется условной, так как при ее построении не учитывается уменьшение площади поперечного сечения при растяжении образца, а также принимается среднее значение продольной деформации в пределах рабочего участка.

Где уп -предел пропорциональности,

уу - предел упругости, ут - предел текучести,

ув - предел прочности,

ур - нормальные напряжения в момент разрыва образца,

Fш - площадь поперечного сечения шейки,

dш- диаметр шейки, определяемый замером образца после разрыва.

7. Показатели пластичности материала.

Пластичность - свойство материала под действием нагрузки изменять (без разрушения) форму и размеры и сохранять их в измененном виде после ее снятия. Пластичность, характеризующаяся остаточной деформацией,-- свойство, противоположное упругости, которой соответствует упругая деформация. Пластичными материалами являются, например, глиняное тесто и нагретый битум.

Для оценки величины пластичности материалов в твердом состоянии используют показатель относительного удлинения д, % : д = [(l1 -l) / l] - 100, где l и l1 - длина образца соответственно первоначальная и после испытания.

Показателями пластичности материала являются относительное удлинение и относительное сужение.

Довольно часто разрыв образца происходит не посередине. В этом случае удлинение образца меньше обычного. Для определения относительного удлинения поступают следующим образом. От крайней риски, отмеряют четное количество n участков так, чтобы место разрыва находилось приблизительно посередине этих участков. Их длину обозначим а. Если образец разделен на m участков, то длина расчетного участка после разрыва будет

lp= a+b, где b - длина участков.

Относительное сужение площади поперечного сечения (коэффициент пластичности):

Величины д и ш характеризуют пластические свойства стали. Для малоуглеродистых сталей д=25ч30 % и ш=5ч60 %.

8.Разгрузка и повторное нагружение. Упрочнение, наклеп

Если образец нагрузить до напряжений, больших уу, но меньших ув, например до точки К диаграммы, а затем начать разгружать, то разгрузка будет происходить по прямой КL, параллельной начальному линейному участку диаграммы. После разгрузки деформация образца уменьшится, но полностью не исчезнет. Отрезок LM определяет величину исчезающей, т.е. упругой деформации еу, а отрезок OL - величину остаточной(пластической) деформации епл. Прямолинейность линии нагрузки поазывает, что упругая деформация подчиняется закону Гука и за пределами пропорциональности.

Повторное нагружение образца уже не повторяет полностью прежнюю диаграмму, а происходит сначала по прямой разгрузки KL, а затем по кривой КС, которую имел бы этот образец без промежуточной нагрузки. Следовательно, после промежуточной разгрузки появился как бы новый материал с более высоким пределом пропорциональности, но меньшей пластичностью.

Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования называется наклепом или нагартовкой. Наклеп возникает при вытяжке, холодной прокатке металла, в процессе штамповке и т.д. Часто наклеп играет положительную роль и применяется для упрочнения поверхностного слоя детали, повышения упругости свойств проволоки, канатов и т.п. В тех случаях, когда наклеп вреден его устраняют отжигом.

9.Упругая и пластическая деформации, механизмы их образования

Деформация - изменение формы и размеров твердого тела, под действием приложенных к нему нагрузок.

Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую). Упругой деформацией называют такую, которая исчезает после снятия нагрузок, т.е. тело восстанавливает свою первоначальную форму. Пластическая деформация остается после снятия наружной перегрузке, (тело не восстанавливает первоначальную форму и размеры). Пластическая деформация сопровождается смещением одной части кристалла относительно другой на расстояние, существенно превышающие расстояния меж атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов. Способность металлов и сплавов к пластической деформации имеет принципиальное практическое значение, т.к. все процессы обработки металлов давлением основаны на пластическом деформировании заготовок. Величина пластической деформации не безгранична, при определенных её значениях может начинаться разрушение сплава. При пластической деформации меняется не только форма, но и характеристики деформируемого сплава. В настоящем поликристаллическом сплаве происходит изменение форм зерен (кристаллитов) дробление отдельных зерен, а также ориентация их определенных кристаллографических осей в направлении течения сплава. Преимущественная ориентация зерен именуется текстурой. Текстура металлов обусловливает анизотропию их механических, магнитных и электрических параметров. В общем случае анизотропия параметров сплава отрицательно сказывается при дальнейшей его обработки и эксплуатации изделий. В неких вариантах специально стремятся сделать очень текстурованный в определенных направлениях для повышения механической прочности либо магнитно-электрических параметров.

10. Понятие о последействии (ползучесть, релаксация)

Ползучесть материалов (последействие) -- изменение с течением времени деформации твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Ползучести в той или иной мере подвержены все твёрдые тела -- как кристаллические, так и аморфные.

Ползучесть описывается так называемой кривой ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке (или напряжении).

Её условно делят на три участка, или стадии:

АВ -- участок неустановившейся (или затухающей) ползучести (стадия I),

BC -- участок установившейся ползучести -- деформации, идущей с постоянной скоростью (стадия II),

CD -- участок ускоренной ползучести (стадия III),

E0 -- деформация в момент приложения нагрузки (стадия IV),

точка D -- момент разрушения.

Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 40 %-80 % температуры плавления металла, затухание ползучести на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения. Так как ползучесть происходит при высокой температуре, то возможно также снятие наклёпа -- так называемый возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия ползучести. Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала, образование которых начинается уже на I и II стадиях.

Всё многообразие элементарных процессов необратимой пластической деформации, приводящих к ползучести, можно условно разделить на процессы, осуществляемые движением дислокаций, и процессы, обусловленные диффузией . Последние имеют место у аморфных тел при всех температурах их существования, а также у кристаллических тел, в частности у металлов и сплавов, при достаточно высоких температурах. При температурах, близких к температурам плавления различие между ползучестью и пластичностью становится менее выраженным. При неизменной общей деформации напряжения в нагруженном теле с течением времени убывают вследствие ползучести, то есть происходит релаксация напряжений. Релаксация - самопроизвольное изменение во времени напряжений при неизменной деформации.



11. Форма стандартных образцов для испытаний материалов на сжатие

Для испытаний на сжатие используются, как правило, короткие образцы с отношением высоты к диаметру в пределах 1:3. Применение высоких образцов невозможно, так как такие образцы будут изгибаться. Образцы изготавливаются с соблюдением жестких допусков на перпендикулярность его оси к торцам. Торцы образца тщательно шлифуются. Форма и размеры образца регламентируются ГОСТ 25.503-97. При этом используют цилиндрические образцы (рис.15.а) с начальным диаметром d0=10, 15, 20, 25, 30 мм. Высота образца h0 составляет (1,5-2) d0. Испытание древесины на сжатие производят в соответствии с ГОСТ 16483.10-73.

12. Диаграмма сжатия пластичных материалов

Диаграммы сжатия образцов представляют собой зависимость силы от укорочения образца, т.е. F = F(Dh). Она позволяет оценить поведение материала образца в упругой и упруго-пластичной стадиях деформирования, определить механические характеристики материала.

На начальном участке ОА диаграммы между силой Р и укорочением ?l, соблюдается прямая пропорциональная зависимость - выполняется закон Гука.

В точке А диаграммы закон Гука нарушается: зависимость между силой и укорочением становится нелинейной. На диаграмме наблюдается горизонтальный участок БВ, называемый площадкой текучести. В этой стадии испытания образец пластически деформируется при постоянной силе. Деформация образца по длине рабочей части равномерная. Явление интенсивного пластического деформирования материала образца называется текучестью. Площадка текучести заканчивается и начинается участок упрочнения ВД, т.е. восходящая часть диаграммы.

На этой стадии испытания образец из пластичного материала существенно изменяет цилиндрическую форму, становится бочкообразным несмотря на применение смазки на торцах. Его диаметр значительно увеличивается, а высота уменьшается, для его деформирования необходима всё большая сила. Образец из пластичного материала при испытани на сжатие не разрушается, поэтому испытание прекращают при достижении деформации от 30% до 40% о начальной высоты образца. Участок диаграммы сжатия от точки Д до точки, соответствующей прекращению испытания не используется для определения каких-либо механических характеристик материала, т.к. напряжённо-деформированное состояние в образце в этом случае неоднородное и неодноосное.

Таким образом, для пластичного материала при сжатии определяют только две характеристики прочности, т.е. предел пропорциональности у пц=Fпц/A0 и предел текучести у т=Fт/A0,где A0 - площадь поперечного сечения образца до испытания. Пределы текучести при растяжении и сжатии одного и того же пластичного материала практически не отличаются.

13. Диаграммы растяжения и сжатия хрупких материалов

Хрупкие материалы характеризуются тем, что разрушение происходит уже при небольших деформациях. При растяжении образца из такого типичного хрупкого материала, как чугун, мы до самого момента разрыва наблюдаем лишь незначительные деформации; разрушение происходит внезапно; относительное удлинение и относительное сужение после разрыва оказываются очень малыми.

Цилиндрический образец чугуна (ho/do=1,5) после обмера устанавливается между плитами пресса и подвергается статическому нагружению. Нетрудно заметить, что на диаграмме сжатия отсутствует прямолинейный участок. Разрушение происходит внезапно при нагрузке Рmах с появлением ряда наклонных трещин, направленных примерно под углом 45° к оси образца. Такой характер разрушения объясняется действием касательных напряжений, возникающих в наклонных площадках при сжатии.

Таким образом, при сжатии хрупких материалов и при их растяжении можно определить лишь предел прочности

ув= Рmах/А0

Различие между диаграммами сжатия и растяжения чугуна заключается лишь в том, что нагрузка, соответствующая пределу прочности при сжатии, в 3-5 раз превышает нагрузку, соответствующую пределу прочности при растяжении, и соответственно , т.е. чугун лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению.

Характер деформации образца и причины его разрушения для хрупкого материала во многом зависят от влияния сил трения между образцом и опорными поверхностями машины. Путем периодической парафиновой смазки торцов образца в процессе испытания можно практически полностью устранить силы трения. При этом образец в течение всего испытания не принимает бочкообразную форму, остается цилиндрическим и разрушается по плоскостям, параллельным диаметральной плоскости образца из-за недопустимо больших растягивающих деформаций.

14. Сравнительная характеристика свойств пластичных и хрупких материалов

Основная разница между хрупкими и пластичными материалами заключается в том, что хрупкие материалы разрушаются при очень небольших деформациях, в то время как окончательное разрушение пластичных материалов происходит лишь после значительных изменений формы. В связи с этим площади диаграмм для пластичных материалов значительно больше, чем для хрупких материалов.

Для разрушения пластичных материалов необходимо затратить гораздо больше работы, чем для хрупких. Поэтому в тех случаях, где задачей конструкции является поглощение возможно большей кинетической энергией удара без разрушения, пластичные материалы оказываются более подходящими.

Хрупкие материалы очень легко разрушаются при действии удара именно потому, что их удельная работа деформации очень мала. При спокойной же, постепенно возрастающей сжимающей нагрузке те же хрупкие материалы способны иногда безопасно брать на себя значительно большие напряжения, чем пластичные, благодаря своей способности давать очень малые изменения формы до напряжений, близких даже к пределу прочности.

Вторым характерным признаком, разделяющим оба типа материалов, является тот признак, что для пластичных материалов можно считать почти одинаковым их поведение в первых стадиях деформации при растяжении и сжатии. Громадное же большинство хрупких материалов сопротивляется растяжению много хуже, чем сжатию. Это в значительной мере ограничивает область применения хрупких материалов или требует специальных мер при работе их на растяжение, например усиления бетона сталью в растянутых элементах.

Резкая разница между пластичными и хрупкими материалами обнаруживается в их поведении по отношению к так называемым местным напряжениям. Под местными напряжениями подразумевают такие, которые распространяются на сравнительно малую часть поперечного сечения элемента, но величина которых выше среднего, или так называемого номинального их значения, получаемого по обычным формулам.

Так как у хрупких материалов не наблюдается значительных деформаций почти до самого разрушения, то такое неравномерное распределение напряжений будет иметь место при сжатии или растяжении стержня все время, т.е. пока наибольшее напряжения не достигнут предела прочности. В связи с этим стержень из хрупкого материала при наличии местных напряжений разрушится или даст хотя бы трещины пи значительно меньших величинах средних нормальных напряжений у=P/F, чем такой же стержень при отсутствии местных напряжений. Последние, таким образом, резко понижают прочность хрупких материалов.

Пластичные материалы гораздо менее восприимчивы к влиянию этих местных напряжений. Роль пластичности по отношению к местным напряжениям заключается в том, что она как бы несколько выравнивает эти напряжения.

Наконец, еще одно обстоятельство обуславливает выбор того или другого типа материала при практическом применении. Зачастую при сборке конструкции бывает необходимо несколько прогнуть или исправить искривленный элемент. Так как хрупкие материалы выдерживают без разрушения лишь очень малые деформации, то подобные операции с ними обычно ведут к появлению трещин. Пластичные же материалы, имеющие способность принимать значительные деформации без разрушения, обычно без всяких затруднений допускают такие изгибы и исправления.

Таким образом, хрупкие материалы плохо сопротивляются растяжению и ударам, очень чувствительны к местным напряжениям и не переносят исправлений формы изготовленных из них элементов.

Пластичные же материалы этими недостатками не обладают; таким образом, пластичность является одним из самых важных и желательных качеств материала.

У хрупких материалов имеется то достоинство, что они обычно дешевле и зачастую обладают высоким пределом прочности сжатию, что может быть использовано при спокойной нагрузке.

Таким образом, хрупкие и пластичные материалы обладают резко разнящимися, противоположными свойствами в отношении их сопротивления простому сжатию и растяжению. Однако эта разница является лишь относительной. Хрупкий материал может получить свойства пластичного, и наоборот. Эти свойства - хрупкость и пластичность - зависят от способа обработки материала, от вида напряженного состояния и температуры. Камень, являющийся при простом сжатии типично хрупким материалом, можно заставит деформироваться как пластичный; в некоторых опытах это удавалось при действии на цилиндрический образец камня давлений, приложенных не только по основаниям цилиндра, но и по его боковой поверхности. С дугой стороны, малоуглеродистую сталь, пластичный материал, можно поставить в такие условия работы, например, при низких температурах, что она дает совершенно хрупкое разрушение.

Таким образом, характеристики «хрупкий», «пластичный», которые мы даем материалам на основании опытов на растяжение и сжатие, относятся лишь к поведению этих материалов при обычных температурах и лишь при сопротивлении указанным видам деформаций. Вообще же хрупкий материал может перейти в пластичный, и наоборот. Поэтому правильнее говорить не о «хрупком» и «пластичном» материалах, а о хрупком или пластичном состояниях материла.

Необходимо отметить, что уже сравнительно небольшое повышение пластичности хрупкого материала позволяет применить его в целом ряде случаев, исключавшихся для хрупких материалов. Поэтому работа над повышением пластичности таких материалов, как бетон, чугун, заслуживает самого серьезного внимания.

15. Влияние скорости нагружения на механические характеристики материалов

В широких пределах изменяются также и скорости нагружения, и время действия внешних сил. Существуют нагрузки, весьма медленно меняющиеся и быстро меняющиеся. Есть нагрузки, действующие годами, а есть такие, время действия которых исчисляется миллионными долями секунды. Понятно, что и зависимости от указанных обстоятельств механические свойства материалом будут проявляться по-разному.

Основными являются медленно изменяющиеся, или статические нагрузки. Скорость изменения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия, которую получают перемещающиеся частицы деформируемого тела, составляет ничтожно малую долю от работы внешних сил. Испытание материалов в так называемых нормальных условиях происходит под действием статических нагрузок.

Если вести испытания на растяжение при различных температурах образца, оставаясь в пределах «нормальных» скоростей деформации, то можно в определенном интервале получить зависимость механических характеристик от температуры. Эта зависимость обусловлена температурным изменением внутрикристаллических и межкристаллических связей, а в некоторых случаях и структурными изменениями материала.

Среди различных типов статических нагрузок особое место занимают периодически изменяющиеся, или циклические, нагрузки. Вопросы прочности материалов в условиях таких нагрузок связываются с понятиями выносливости или усталости материала.

Класс динамических нагрузок.. С одной стороны, нагрузка считается быстро изменяющейся, если она вызывает заметные скорости частиц деформируемого тела, причем настолько большие, что суммарная кинетическая энергия движущихся масс составляет уже значительную долю от общей работы, внешних сил. С другой стороны, скорость изменения нагрузки может быть связана со скоростью протекания пластических деформаций. Нагрузка может рассматриваться как быстро изменяющаяся, если за время нагружения тела пластические деформации не успевают образоваться полностью.

Первый критерий в оценке быстро изменяющихся нагрузок используется в основном при анализе вопросов колебаний упругих тел, второй -- при изучении механических свойств материалов в связи с процессами быстрого деформирования. Поскольку при быстром нагружении образование пластических деформаций не успевает полностью завершиться, материал с увеличением скорости деформации становится более хрупким и величина уменьшается. Так как скольжение частиц образца по наклонным площадкам затруднено, должна несколько увеличиться разрушающая нагрузка. Сказанное иллюстрируется сопоставлением диаграмм растяжения при медленно и быстро изменяющихся силах.

16. Определение допускаемых напряжений для пластичных и хрупких материалов

Допускаемое (допустимое) напряжение - это значение напряжения, которое считается предельно приемлемым при вычислении размеров поперечного сечения элемента, рассчитываемого на заданную нагрузку. Можно говорить о допускаемых напряжениях растяжения, сжатия и сдвига. Допускаемые напряжения либо предписываются компетентной инстанцией (скажем, отделом мостов управления железной дороги), либо выбираются конструктором, хорошо знающим свойства материала и условия его применения. Допускаемым напряжением ограничивается максимальное рабочее напряжение конструкции.

При проектировании конструкций ставится цель создать конструкцию, которая, будучи надежной, в то же время была бы предельно легкой и экономной. Надежность обеспечивается тем, что каждому элементу придают такие размеры, при которых максимальное рабочее напряжение в нем будет в определенной степени меньше напряжения, вызывающего потерю прочности этим элементом. Потеря прочности не обязательно означает разрушение. Машина или строительная конструкция считается отказавшей, когда она не может удовлетворительно выполнять свою функцию. Деталь из пластичного материала, как правило, теряет прочность, когда напряжение в ней достигает предела текучести, так как при этом из-за слишком большой деформации детали машина или конструкция перестает соответствовать своему назначению. Если же деталь выполнена из хрупкого материала, то она почти не деформируется, и потеря ею прочности совпадает с ее разрушением.

Разность напряжения, при котором материал теряет прочность, и допускаемого напряжения есть тот "запас прочности", который необходимо предусматривать, учитывая возможность случайной перегрузки, неточностей расчета, связанных с упрощающими предположениями и неопределенными условиями, наличия не обнаруженных (или не обнаружимых) дефектов материала и последующего снижения прочности из-за коррозии металла, гниения дерева и пр.

Коэффициент запаса прочности какого-либо элемента конструкции равен отношению предельной нагрузки, вызывающей потерю прочности элемента, к нагрузке, создающей допускаемое напряжение. При этом под потерей прочности понимается не только разрушение элемента, но и появление в нем остаточных деформаций. Поэтому для элемента конструкции, выполненного из пластичного материала, предельным напряжением является предел текучести. В большинстве случаев рабочие напряжения в элементах конструкции пропорциональны нагрузкам, а поэтому коэффициент запаса определяется как отношение предела прочности к допускаемому напряжению (коэффициент запаса по пределу прочности).

17. Понятие о методе расчета конструкций по допускаемым напряжениям

В результате расчёта нужно получить ответ на вопрос,удольтворяют или нет конструкция тем требованиям надежности, которые к ней предъявляются. Для этого необходимо прежде всего сформулировать те принципы, которые должны быть положены в основу оценки условий достаточной надежности.

Цель расчета - проверка прочности, устойчивости и жесткости предварительно намеченной конструктивной схемы сооружения с уточнением размеров элементов и их сечений. При этом приходится решать две противоречивые задачи. С одной стороны, конструкции должны быть экономичными, т.е. иметь минимальный расход материалов, низкие затраты труда на их изготовление и монтаж. С другой - необходимо обеспечить надежность конструкций и их безотказную работу на весь период эксплуатации с определенными резервами, которые должны учитывать случайные превышения нагрузок, непредусмотренные отклонения свойств материала, отличие действительной работы конструкций от теоретической модели, принимаемой при расчете.

Для строительных конструкций задача осложняется тем, что срок их службы составляет десятки, а для уникальных сооружений - сотни лет. При такой продолжительной эксплуатации весьма сложно прогнозировать их поведение и возможные в будущем воздействия.

Расчет сооружений и их элементов производят на основе методов сопротивления материалов и строительной механики. В результате расчета определяют внутренние усилия и перемещения, возникающие в конструкциях под действием приложенных нагрузок. В настоящее время с развитием вычислительной техники нет принципиальных трудностей рассчитать любую сложную конструкцию с необходимой для практики степенью точности. Вместе с тем методы сопротивления материалов и строительной механики не дают ответа на следующие вопросы:

- какие нагрузки принимать для расчета конструкций;

- с чем сравнивать полученные при расчете усилия (напряжения) и перемещения;

- как учесть различия (неадекватность) в работе идеализированной теоретической модели и фактической конструкции:

- как оценить надежность конструкции и обеспечить ее бесперебойное функционирование в течение всего срока службы.

Ответы на эти и другие вопросы должна дать методика расчета конструкций.

В XIX вв., когда были сформулированы теоретические основы расчета, а строительная механика оформилась как самостоятельная научная дисциплина, был разработан метод расчета конструкций по допускаемым напряжениям.

При расчете по этому методу напряжения, возникающие в элементах конструкции, не должны превышать допускаемого напряжения [у], принимаемого для строительной стали равным пределу текучести уy , деленному на коэффициент запаса о, т.е. у ?[у] = уy / о.

Расчет конструкции выполнялся на нагрузки, отвечающие обычным условиям эксплуатации, а в качестве предела текучести принималось его значение, установленное в технических условиях на поставку металла. Коэффициентом запаса учитывались неблагоприятные факторы, влияющие на работу конструкции и не учитываемые непосредственно в теоретических расчетах. Можно сказать, что коэффициент запаса являлся обобщенным показателем, обеспечивающим безопасность конструкций.

Первоначально коэффициент запаса был установлен на основании инженерной интуиции, опыта проектирования и эксплуатации конструкций; он составлял для металлических конструкций 1,8...2,0. Значение этого коэффициента в решающей степени определяло металлоемкость конструкций, а, следовательно, и их стоимость. Для обоснованного назначения коэффициента запаса, обеспечивающего безопасную эксплуатацию конструкций, необходимо было выявить его природу.

Однако рамки методики допускаемых напряжений сдерживали развитие строительных конструкций прежде всего в силу целого ряда неопределенностей, из которых можно выделить следующие:

- при расчете принимались нагрузки, отвечающие нормальным условиям эксплуатации, без учета вероятности их превышения;

-не учитывалась возможность использования в конструкциях материала с пониженными по сравнению с техническими условиями характеристиками;

- предполагалось, что действительные условия работы конструкции будут соответствовать принимаемым при расчете идеализированным условиям;

-коэффициент запаса, который должен был учитывать эти факторы, для всех конструкций из данного материала оставался неизменным, независимо от конкретных условий работы конструкций и степени их ответственности. В результате такого подхода разные конструкции имели разную надежность. Кроме того, работа конструкций рассматривалась лишь в упругой стадии, без учета пластических свойств материала, что снижало их экономичность.

Все это послужило основой разработки нового метода расчета конструкций по предельным состояниям, который был принят в нашей стране в 1955 г. с утверждением основного руководящего документа по проектированию - Строительных норм и правил (СНиП). Впоследствии на эту методику перешли многие страны Запада.

18. Определение модуля упругости Юнга, коэффициента поперечной деформации Пуассона, ударной вязкости и твердости материал

Модуль Юнга -- коэффициент, характеризующий сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле -- как функционал среды и процесса.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

Е=Fl/Sx

где:

E -- модуль упругости, измеряемый в Паскалях

F -- сила в Ньютонах,

S -- площадь поверхности, по которой распределено действие силы,

l -- длина деформируемого стержня,

x -- модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l).

Через модуль Юнга вычисляется скорость распространения звука в веществе:

С=vЕ/ с

где с -- плотность вещества.

Коэффициент поперечной деформации Пуассона.

Коэффициент Пуассона характеризует упругие свойства материала. При приложении к телу растягивающего усилия оно начинает удлиняться (то есть длина увеличивается), а поперечное сечение уменьшается. Коэффициент Пуассона показывает, во сколько раз изменяется поперечное сечение деформируемого тела при его растяжении или сжатии. Для абсолютно хрупкого материала коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно упругого -- 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, для резины он примерно равен 0,5. Измеряется в относительных единицах: мм/мм, м/м.

Существуют также материалы (преимущественно полимеры), у которых коэффициент Пуассона отрицателен, такие материалы называют ауксетиками. Это значит, что при приложении растягивающего усилия поперечное сечение тела увеличивается. К примеру, бумага из однослойных нанотрубок имеет положительный коэффициент Пуассона, а по мере увеличения доли многослойных нанотрубок наблюдается резкий переход к отрицательному значению ?0,20.

-- деформация в поперечном направлении (отрицательный для осевого растяжения, положительный для осевого сжатия)

-- продольная деформация (положительный для осевого растяжения, отрицательный для осевого сжатия).

Ударная вязкость.

Ударная вязкость -- способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

Основным отличием ударных нагрузок от испытаний на растяжение - сжатие или изгиб является гораздо более высокая скорость выделения энергии. Таким образом, ударная вязкость характеризует способность материала к быстрому поглощению энергии.

Существующие лабораторные методы, которые отличаются по

способу закрепления образца на испытательном стенде способу приложения нагрузки - падающая гиря, маятник, молот...

наличию или отсутствию надреза в месте приложения удара.

Для испытания "без надреза" выбирается лист материала с равной толщиной по всей площади. При проведении испытания "с надрезом" на поверхности листа проделывается канавка, как правило, на стороне обратной по отношению к месту удара, на всю ширину (длину) образца, глубиной на 1/2 толщины.

Ударная вязкость при испытании "без надреза" может превышать результат испытаний "с надрезом" более чем на порядок.

Твёрдость -- свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела, а также свойство более твёрдого тела проникать в другие материалы.Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твёрдость.

Относительная -- твёрдость одного минерала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством.

Абсолютная, она же инструментальная -- измеряется методами вдавливания.

Твёрдость зависит от:

межатомных расстояний;

координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость;

валентности;

природы химической связи;

от направления

хрупкости и ковкости;

гибкости -- минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк);

упругости -- минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды);

вязкости -- минерал трудно сломать (например, жадеит);

спайности.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода -- лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса).

19. Понятие о концентрации напряжений

Концентрация напряжений в теории упругости - это сосредоточение больших напряжений на малых участках, прилегающих к местам с различным рода изменением формы, поверхности или сечения деформированного тела. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что равномерное распределение напряжений по площади поперечного сечения растянутого или сжатого стержня будет только в тех случаях, когда по длине стержня поперечные сечения постоянны или изменяются весьма плавно. Резкие переходы площади поперечного сечения вследствие наличия поперечных отверстий, выкружек, канавок и надрезов приводят к неравномерному распределению напряжений, вызывают концентрацию напряжений.

Причина, вызвавшая концентрацию напряжений (отверстие, надрез и т. п.), называется концентратором напряжений. Максимального значения напряжения достигают в непосредственной близости от него (например, у края отверстия или выкружки) и ограничиваются весьма небольшой частью площади поперечного сечения, т. е. имеют местный характер. Поэтому напряжения у мест концентрации и называют местными.

Остановимся на некоторых понятиях и определениях, встречающихся при расчетах на прочность в случае концентрации напряжений.

Номинальным напряжением называют напряжение, вычисленное на основе предположений об отсутствии концентрации напряжений.

?Н=N/A, где N -- нормальная сила в ослабленном сечении; А -- площадь ослабленного сечения, называемая площадью нетто.

Иногда под номинальным напряжением понимают напряжение, вычисленное по площади сплошного поперечного сечения без учета ее уменьшения за счет отверстия. Эту площадь называют площадью поперечного сечения брутто. В случае весьма малого отверстия в полосе номинальные напряжения, будут практически одинаковы. В других случаях в величине напряжений может быть существенная разница.Поэтому, используя понятие номинального напряжения, необходимо установить, на базе какого поперечного сечения оно вычислено.

20.Усталость материалов

Усталость материала -- в материаловедении -- процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время.

Обратное свойство материала называется выносливостью (свойство материала воспринимать переменные (циклические) нагрузки без разрушения указанное время). Кроме того это понятие близко связано с прочностью, существует понятие усталостной прочности.

Выносливость измерима, существуют методики её измерения.

Выносливость, так же как и прочность, для многих материалов сильно зависит от температуры, это явление получило название хладноломкость.

...