1.2 Конструкционная прочность материалов

1.2.1 Общие положения

Конструкционная прочность является комплексной характеристикой, включающей сочетание критериев прочности, жесткости, надежности и долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках критериями прочности являются временное сопротивление и предел текучести, характеризующие сопротивление пластической деформации. Поскольку для большинства деталей в процессе эксплуатации пластическая деформация недопустима, то в качестве расчетной характеристики их несущей способности используют предел текучести. Если же в процессе эксплуатации деталь испытывает длительные циклические нагрузки, то в качестве критерия их прочности используют предел выносливости.

По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. Чем больше прочность материала, тем выше допустимые рабочие напряжения и меньше размеры и масса детали. Однако повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций, для ограничения которых материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерии жесткости, а не прочности определяют размеры деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Надежность – свойство материала противостоять разрушению. Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью и ударной вязкостью.

Для оценки надежности материала используют также температурный порог хладноломкости (t₅₀,^оС), который характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к температуре эксплуатации, тем больше температурный запас сохранения вязкости и меньшая вероятность хрупкого разрушения материала.

Надежность материала в условиях эксплуатации определяет также трещиностойкость, характеризующая его способность тормозить развитие образовавшейся трещины.

Долговечность – способность материала обеспечивать работоспособность детали в течение заданного времени, оказывая сопротивление развитию постепенного разрушения, обусловленного процессами усталости, изнашивания, ползучести, коррозии, радиационного разбухания и др.

В большинстве случаев долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклическая долговечность) или изнашиванию (износостойкость).

Долговечность деталей, работающих при высоких температурах, определяется скоростью ползучести, ограничение которой достигается применением жаропрочных материалов.

Долговечность деталей, работающих в атмосфере сухих газов или жидких электролитов, зависит от сопротивления материала газовой или электрохимической коррозии. Работоспособность в этих условиях эксплуатации сохраняют жаростойкие и коррозионно-стойкие материалы.

Выбор материалов для конкретных условий эксплуатации машин и механизмов является одной из основных задач инженерной практики. Следствием неправильного выбора материалов является низкая эксплуатационная стойкость деталей, машин и оборудования. Поэтому при выборе материалов должно быть проведено определение комплекса необходимых свойств, которые обеспечивают высокую конструкционную прочность в заданных условиях эксплуатации.

Основой выбора материалов для создания надежной и работоспособной техники являются их механические свойства, которые определяются при проведении соответствующих испытаний.