Механика Свойства материалов

Свойства материалов при постоянных напряжениях и деформациях Основными механическими свойствами материала являются: прочность способность материала сопротивляться нагрузкам; пластичность способность материала получать значительную (остаточную) деформацию; твердость способность материала сопротивляться при местных контактных воздействиях пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое.

В начале нагружения между напряжением и деформацией существует приближенная линейная зависимость, соответствующая закону Гука. Напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями впервые достигает некоторой заданной величины, называется пределом пропорциональности точка 1

Если в какой-либо момент начать разгружать образец (точка А), то зависимость между напряжением и деформацией при разгрузке изобразится прямой линией АВ, практически параллельной линии нагрузки 01. Деформация в точке А состоит из упругой части ε упр, которая устраняется после снятия нагрузки и остаточной (пластической) части ε ост, которая остается после снятия нагрузки.

Напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой заданной величины (обычно порядка 0,002 0,005%), называется пределом упругости σ у (точка 2). Предел упругости часто считают совпадающим с пределом пропорциональности.

При нагружений за пределом упругости остаточные деформации заметно увеличиваются. Для железа и малоуглеродистой стали деформация некоторое время растет без нарастания напряжений, что дает площадку текучести. Напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести, называется пределом текучести σ Т

Многие материалы не имеют площадки текучести. Для них определяется условный предел текучести напряжение, при котором остаточные деформации достигают некоторой заданной величины (обычно 0,2%); условный предел текучести обозначается σ 02 (точка 3 )

Максимальное условное напряжение, которое выдерживает образец, называется временным сопротивлением, или пределом прочности σ b (точка 4)

Пластичность и хрупкость. Твердость. Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит название пластичности. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение δ при разрыве. Чем больше δ, тем более пластичным считается материал. К числу весьма пластичных материалов относятся отожженная медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабо пластичных материалов относятся многие легированные стали.

Пластичность и хрупкость. Твердость. Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т. е. способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2 5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич, камни и др. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения.

Коэффициент запаса В результате испытания на растяжение и сжатие мы получаем основные данные о механических свойствах материала. Теперь рассмотрим вопрос о том, как использовать полученные результаты испытаний в практических расчетах инженерных конструкций на прочность.

Основным и наиболее распространенным является метод расчета по напряжениям. Согласно этому методу расчет на прочность ведется по наибольшему напряжению, возникающему в некоторой точке нагруженной конструкции. Напряжение называется максимальным рабочим напряжением. Оно не должно превышать определенной величины, свойственной данному материалу и условиям работы конструкции.

Расчет по напряжениям ведется по схеме где max некоторое предельное для данного материала напряжение, а n число, большее единицы, называемое коэффициентом запаса или просто запасом.

Выбор величины n производится на основе ряда различных соображений, выходящих в большинстве случаев за пределы вопросов, рассматриваемых в курсе сопротивления материалов. Прежде всего, величина коэффициента запаса не может быть назначена без учета конкретных условий работы рассчитываемой конструкции. Коэффициент n, по существу, определяется практическим опытом создания аналогичных конструкций за прошедшее время и уровнем техники в данный период. В каждой области техники уже сложились свои традиции, свои требования, свои методы и, наконец, своя специфика расчетов, в соответствии с которыми и назначается коэффициент запаса. Так, например, при проектировании стационарных строительных сооружений, рассчитанных на долгие сроки службы, запасы принимаются довольно большими (nв = 1.5÷ 5). В авиационной технике, где на конструкцию накладываются серьезные ограничения по весу, коэффициенты запаса (или так называемые «коэффициенты безопасности») определяются по пределу прочности и составляют величины порядка 1.5÷5. В связи с ответственностью конструкции в этой области техники сложилась практика проведения обязательных статических испытаний отдельных узлов и целых летательных аппаратов для прямого определения величин предельных нагрузок.

Выбор коэффициента запаса зависит от методов расчета напряжений, от степени точности этих методов, от серьезности тех последствий, которые повлечет за собой разрушение детали. Величина коэффициента запаса зависит и от свойств материала. В случае пластичного материала, запас по пределу текучести может быть меньшим, чем в случае расчета детали из хрупкого материала. Это является достаточно очевидным, поскольку хрупкий материал более чувствителен к различным случайным повреждениям и неожиданным дефектам производства. Кроме того, случайное повышение напряжений для пластичного материала может вызвать только небольшие остаточные деформации, для хрупкого же материала последует прямое разрушение.