11.Диаграмма растяжения и сжатия хрупких материалов (в примере чугуна).

П ротивоположным свойству пластичности является хрупкость, т.е. способность материала разрушаться при незначительных остаточных деформациях. Для таких материалов величина остаточного удлинения при разрыве не превышает 2-5. К хрупким материалам относится чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, камень и др. Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие является условным, т.к. в зависимости от условий испытания и вида напряженного состояния хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные как хрупкие. Например, чугун в условиях всестороннего сжатия ведет себя как пластичный материал, т.е. не разрушается даже при значительных деформациях. При растяжении образцов из хрупких материалов наблюдается ряд особенностей. Из диаграммы видно что отклонение от закона Гука начинается очень рано. Разрыв наступает внезапно при очень малых деформациях и без образования шейки, что характерно для всех хрупких материалов. При испытании на растяжении хрупких материалов определяют только предел прочности. Обычно при практических расчетах для хрупких материалов отклонение закона Гука не учитывают, криволинейную диаграмму заменяют условной прямолинейной диаграммой. Для чугуна и других хрупких материалов заметное влияние на предел прочности при разрыве оказывают размеры образца. Это оценивается масштабным коэффициентом ε_в=σ_вd/δ_в1o, где σ_вd-предел прочности образца диаметром d, δ_в1o-предел прочности образца диаметром d=10мм.

12.Влияние различных факторов на механические характеристики материалов.

Скорость и время нагружения

Большое влияние на механические свойства материалов оказывает скорость и время нагружения. При высокоскоростном нагружении более резко проявляются свойства хрупкости, а при медленном нагружении - свойства пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии нагрузки в условиях нормальной температуры (+20 ⁰С) проявлять пластические свойства. Пластичные же материалы, такие, как малоуглеродистая сталь, при воздействии ударных нагрузок проявляет хрупкие свойства.

Влияние температуры

В общем случае с ростом температуры, механические характеристики материалов существенно изменяются. При этом, чем выше температура, тем труднее эти характеристики определить. Происходит это не только потому, что возрастают сложности в технике эксперимента, но также вследствие того, что сама характеристика становится менее определенной.

Высокие температуры не только способствуют возникновению реологических явлений в материалах, но и изменяют их механические свойства. В большинстве случаев при нагреве характеристики прочности уменьшаются с повышением характеристик пластичности, а при охлаждении наоборот, однако это наблюдается не у всех материалов. У малоуглеродистых сталей на кривой зависимости деформации от температуры заметен участок, когда удлинение образца при разрыве с повышением температуры уменьшается,а при дальнейшем повышении температуры пластически свойства стали восстанавливаются при падении прочностных показателей. Это явление называется охрупчиванием.  При отрицательных температурах у сталей увеличивается их хрупкость – при  ⁰C Ст3 становится хрупкой. Это свойство называется хладноломкостью.

Характеристики пластичности с повышением температуры увеличиваются, а с понижением температуры уменьшаются. При изменении температуры не остаются постоянными и физические характеристики материала: при повышении температуры модуль упругости   существенно уменьшается, а коэффициент Пуассона   незначительно увеличивается – с 0,28 до 0,33.

Коррозионное воздействие окружающей среды

Коррозией называется разрушение металлов, вызванное химическим или электрохимическим взаимодействием их с коррозионной средой. Коррозия представляет собой сложный процесс, зависящий от множества факторов, включающих в себя условия окружающей среды, ее концентрацию, температуру, структуру металла и др. Можно выделить следующие типы коррозии: непосредственно химическое взаимодействие, электрохимическую коррозию, щелевую коррозию, межкристаллитную коррозию, водородное повреждение, коррозионное растрескивание под напряжением и др. В зависимости от условий окружающей среды, нагружения и функционального назначения детали любой из видов коррозии может явиться причиной преждевременного разрушения.

Влияние облучения на механические свойства материалов

Облучение оказывает существенное влияние на механические свойства конструкционных материалов. Их изменение в значительной степени определяется характером взаимодействия дислокационной структуры материала со сложным комплексом возникающих радиационных дефектов.

По мере накопления радиационных повреждений твердость материала растет, заметно увеличивается предел текучести и в меньшей степени временное сопротивление. Значения предела текучести и временного сопротивления сближаются, а относительное удлинение и ударная вязкость снижаются, что свидетельствует об охрупчивании материала.  Кроме этих изменений происходит повышение критической температуры хрупкости – сдвиг ее в область более высоких температур на 150-200 ⁰С. Эффект радиационного упрочнения наблюдается во всех нержавеющих сталях аустенитного класса и высоконикелевых сплавах. В результате облучения повышаются прочностные и сближаются пластические свойства этих материалов при температурах испытаний до 350-400 ⁰С. При температурах испытания свыше 500 ⁰С прочностные характеристики восстанавливаются, однако пластичность этих материалов резко снижается. Этот эффект получил название высокотемпературного радиационного охрупчивания хромоникелевых сталей и высоконикелевых сплавов.

Облучение существенно активизирует коррозионные процессы в металлах за счет радиолизного эффекта. При температуре около 300 ⁰С скорость коррозии перлитных и нержавеющих сталей, сплавов циркония при облучении возрастает в 1,2-4,4 раза.

Наиболее стойкие против высокотемпературного радиационного охрупчивания являются стали, легированные молибденом, ниобием и бором.

13.Понятие о методах выполнения расчетов. Потенциальная энергия деформации. Условие прочности. Расчет на жесткость. Определив напряжение в опасном сечении растянутого (сжатого) стержня по формуле σ=N/A и установив допускаемое наряжение можно произвести оценку прочности стержня. Для этого необходимо фактические напряжения в опасном сечении стержня составить с допускаемыми: σ=N/A=<[σ]. Имеется виду допускаемое напряжение или на растяжение или на сжатие. Это неравенство назвается условием прочности при растяжении (сжатии). Внешние силы, приложенные к упругому телу и вызывающие изменение геометрии тела, совершают работу W на соответству­ющих перемещениях. Одновременно с этим в упругом теле накап­ливается потенциальная энергия его деформирования U. При дей­ствии динамических внешних нагрузок часть работы внешних сил превращается в кинетическую энергию движения частиц тела К. Приняв энергетическое состояние системы до момента действия данных сил равным нулю, и в условиях отсутствия рассеивания энергии, уравнение баланса энергии можно записать в следующем виде: W = U + K. При действии статических нагрузок К = 0, следовательно,W = U. Это означает, что при статическом нагружении работа внешних сил полностью преобразуется в потенциальную энергию деформа­ции. При разгрузке тела производится работа за счет потенциаль­ной энергии деформации, накопленной телом. Таким образом, уп­ругое тело является аккумулятором энергии. Это свойство упругого тела широко используется в технике, например, в заводных пружи­нах часовых механизмов, в амортизирующих рессорах и др.  Для однородного стержня с постоянным попе­речным сечением и при Р = const из получим: .        Основной задачей расчета конструкции является обеспечение ее безопасной эксплуатации. Важнейшим условием, обеспечивающим безопасную эксплуатацию конструкции, является условие прочности. Существуют различные методы обеспечения прочности конструкций. Мы чаще всего будем пользоваться одним из этих методов – расчетом по допускаемым напряжениям. Согласно этому методу для конструкций, работающих на растяжение-сжатие, условие прочности, составленное для опасного сечения,  можно записать в таком виде: где   – максимальное напряжение в конструкции;  – характеристика материала, называемая допускаемым напряжением. Допускаемое напряжение находится по формуле .    где   – предельное напряжение, при достижении которого в стержне наступает предельное состояние материала: появляются пластические деформации, если материал стержня – пластичный, или происходит разрушение, если стержень выполнен из хрупкого материала; n – нормируемый коэффициент запаса прочности. Условие прочности в зависимости от цели поставленной задачи позволяет выполнять расчеты на прочность двух видов: проектный и проверочный. Для спроектированного стержня можно также определять допускаемую нагрузку. Проектный расчет выполняют с целью определения размеров поперечных сечений элемента конструкции при известных рабочих нагрузках и материале (допускаемых напряжений). Площадь поперечного сечения определяют из выраженияФ орма сечения стержня не влияет на его прочность при растяжении (сжатии). Форму сечения стержня необходимо знать только для определения размеров сечения при известном значении площади. Зная площадь сечения и его форму, находят размеры сечения. Проверочный расчет выполняют для спроектированной конструкции с целью проверки ее прочности. При проверочном расчете должны быть известны площадь опасного сечения, нагрузка и материал (допускаемое напряжение). Проверочный расчет выполняют по формуле. Определение допускаемой нагрузки для спроектированного элемента конструкции, размеры поперечного сечения которого и материал (допускаемые напряжения) известны. Условие прочности в этом случае записывают в виде .Зная значение  , определяют допускаемую нагрузку  .Так как допускаемые напряжения не имеют точного значения, а выбираются приближенно, то при проверочном расчете максимальные рабочие напряжения могут превышать допускаемые на 5%. По этой же причине можно округлять полученные в расчетах значения площади опасного поперечного сечения или допускаемой нагрузки так, чтобы максимальные напряжения отличались от допускаемых не более чем на 5%. По этой же причине можно округлять полученные в расчетах значения площади опасного поперечного сечения или допускаемой нагрузки та, чтобы максимальные напряжения отличались от допускаемых не более чем на 5%. В некоторых случаях работоспособность элемента конструкции определяется не только его прочностью, но и жесткостью, т.е. способностью элемента воспринимать нагрузки без недопустимых упругих деформаций. При расчетах на жесткость определяют максимальные перемещения сечений и сопоставляют их с допускаемыми перемещениями. Условие жесткости, ограничивающее изменение длины элемента, имеет сле­дующий общий вид: ,где   - изменение размеров детали;  - допускаемая величина этого изме­нения.Учитывая, что при растяжении (сжатии) абсолютное удлинение в общем виде определяется как алгебраическая сумма величин    по участкам , условие жесткости при растяжении (сжатии) запишем следующим образом:

Так как перемещение, согласно закону Гука, зависит от нагрузки и размеров поперечного сечения, условие жесткости позволяет решать те же три вида задач, что и условие прочности.