- •Конструкционная прочность материалов Курс лекций
- •Содержание
- •Введение
- •1 Конструкционные материалы в современной технике
- •Общая схема работы материалов под нагрузкой
- •1.2 Влияние различных факторов на механические свойства материалов
- •1.2.1 Химический состав (легирующие добавки)
- •1.2.2 Влияние термической обработки на механические свойства материалов
- •1.2.3 Влияние деформации в холодном состоянии на механические свойства металлов (наклеп). Отдых (возврат) металлов. Рекристаллизация
- •1.2.4 Физико-химическое взаимодействие с окружающей средой
- •1.2.4.1 Коррозия и механические свойства
- •1.2.4.2 Эффект Ребиндера
- •1.2.5 Старение материала
- •1.2.6 Влияние времени нагружения
- •1.2.7 Влияние температурного фактора на упругие и механические свойства материалов
- •1.2.8 Влияние неоднородности и вида напряженного состояния на характер разрушения
- •1.2.9 Масштабный фактор
- •1.2.10 Влияние облучения
- •1.2.11 Методы получения прочных металлов и сплавов
- •1.3 Различные виды испытания материалов
- •1.3.1 Кратковременные статические испытания гладких образцов
- •1.3.1.1 Растяжение
- •1.3.1.2 Сжатие
- •1.3.1.3 Изгиб
- •1.3.3.2 Релаксация
- •1.3.3.3 Длительная прочность
- •1.3.4 Испытания при ударных нагрузках
- •1.3.5 Испытания при повторно-переменных нагрузках
- •1.3.6 Неразрушающие методы
- •1.3.6.1 Твердость
- •1.4 Индивидуальные особенности механических свойств материалов
- •1.4.1 Сплавы железа
- •1.4.2 Алюминиевые сплавы
- •1.4.3 Магниевые сплавы
- •1.4.4 Сверхлегкие сплавы
- •1.4.5 Медные сплавы
- •1.4.6 Никель и его сплавы
- •1.4.7 Титан и его сплавы
- •1.4.8 Цирконий и его сплавы
- •1.4.9 Бериллий
- •1.4.10 Тугоплавкие металлы и их сплавы
- •1.4.11 Жаропрочные сплавы
- •1.4.12 Жаропрочные композиционные материалы
- •1.4.13 Полимеры
- •1.4.14 Силикатные материалы
- •1.4.15 Древесина
- •1.4.16 Взрывчатые вещества
- •1.4.17 Требования к конструкционным материалам
- •2 Механические теории прочности
- •2.1 Основные положения теорий напряжений и деформаций
- •2.1.1 Гипотезы и принципы механики твердых деформируемых тел
- •2.1.2 Параметры напряженно-деформируемого состояния материала
- •2.2 Соотношения между напряжениями и деформациями при сложном напряженном состоянии
- •2.2.1 Линейно-упругое тело
- •2.2.2 Нелинейно-упругие и неупругие тела
- •2.2.3 Влияние времени и скорости деформирования
- •2.2.4 Упругая энергия и работа пластической деформации
- •2.3 Условия прочности. Предельные поверхности
- •2.4 Классические теории прочности Классические теории прочности относятся только к изотропным средам с одинаковыми пределами прочности на растяжение и сжатие:
- •2.4.1 Теория наибольших нормальных напряжений (I теория)
- •2.4.2 Теория наибольших относительных удлинений (II теория)
- •2.4.3 Теория наибольших касательных напряжений (III теория, теория Кулона)
- •2.4.4 Энергетическая теория прочности (IV теория, теория Губера, Мизеса, Генки)
- •2.4.5 Сопоставление классических теорий прочности при плоском напряженном состоянии
- •2.5 Новые теории прочности
- •2.5.1 Теории прочности, интерпретирующиеся многогранниками
- •2.5.2 Теории прочности, интерпретирующиеся поверхностями вращения
- •2.5.3 Объединенные теории прочности
- •2.5.4 Обобщенные критерии прочности
- •2.5.4.1 Критерий Лебедева-Писаренко
- •2.5.5 Статистические теории прочности
- •2.5.6 Достоверность теорий прочности
- •2.6 Факторы, влияющие на предельное состояние материалов
- •2.6.1 Анизотропия материалов
- •2.6.2 Температурно-временные факторы
- •2.6.3 Критерии усталостной прочности
- •2.6.4 О склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению в связи с влиянием вида напряженного состояния
- •2.7 Методы механических испытаний материалов при сложном напряженном состоянии
- •2.7.1 Испытания материалов в обоймах и камерах высокого давления
- •2.7.2 Испытание образцов с плоскими гранями
- •2.7.3 Методы механических испытаний материалов на трубчатых образцах при сложном напряженном состоянии
- •2.7.4 Испытания плоских образцов и элементов сосудов при двухосном напряженном состоянии
- •2.7.5 Другие методы статических испытаний материалов при сложном напряженном состоянии
- •Литература
- •3 Теория процессов накопления повреждений. Кинетическая природа прочности твердых тел
- •3.1 Критерий Хоффа
- •3.2 Критерий Качанова
- •Критерий с.Н.Журкова. Кинетическая концепция прочности твердых тел
- •3.4 Методические особенности испытаний на долговечность
- •Литература
- •4 Изнашивание
- •Где k1,…, k5 – коэффициенты;
- •В случае изнашивания с заданным количеством абразива:
- •5 Коррозионная стойкость материалов
- •5.1 Классификация процессов коррозии
- •5.2 Методы защиты от коррозии
- •6 Контроль текущего состояния
- •7 Надежность
- •Если t 0,1, то
- •Вероятность на стадии испытаний опытных образцов обычно принимают разной 0,7…0,8, а на стадии передачи разработки в серийное производство 0,9…0,95.
- •При законе Вейбула :
- •8 Исследование прочности полномасштабных конструкций
- •8.1 Внешние воздействия и виды испытаний
- •8.2 Поэлементная отработка конструкций
- •8.3 Статические испытания
- •8.4 Ударные испытания
- •8.5 Вибрационные испытания
- •8.6 Тепловые испытания изделий
- •8.7 Климатические испытания
- •8.8 Испытания на безопасность
1.4.5 Медные сплавы
Сплавы Cu и Zn называют латунями. При содержании Zn не более 10% сплав называется томпаком. Если кроме Zn имеются другие элементы, то сплав называется бронзой (алюминиевая, марганцевая бронза). Мельхиор, константан, никелин представляют собой сплавы Cu и Ni.
Прочность сплавов меди с любым из следующих элементов Zn, Al, Si, Sn, Be – при увеличении процентного содержания легирующей добавки сначала растет, а затем понижается. Пластичность сплавов меди с Zn и Al при увеличении содержания легирующей добавки сначала растет, а затем понижается, а с Mn, Pb, Ti – уменьшается с увеличением процента содержания добавки.
1.4.6 Никель и его сплавы
Никель входит в состав многих сталей, придавая им ряд ценных качеств: хорошие механические свойства (высокие прочность и пластичность), стойкость против коррозии, жаропрочность. Имеется ряд сплавов, в которых основой является никель: монель-металл (68 % Ni, 28 % Cu, 1,5 % Mn, 2,5 % Fe).
В качестве основы Ni входит в ряд сложных жаропрочных сплавов.
1.4.7 Титан и его сплавы
Титан и его сплавы применяются в химической аппаратуре, судостроении, авиации, ракетостроении вследствие удачного сочетания свойств: высокой удельной прочности, исключительно высокой коррозионной стойкости, значительной прочности при высоких температурах. К числу свойств, создающих некоторые затруднения в его применении, относится низкая теплопроводность (в 13 раз меньше, чем у Al, и в 4 раза меньше, чем у Fe), нежелательная в условиях больших термических градиентов и высокочастотных периодических термических колебаний. Этот недостаток отчасти компенсируется малостью коэффициента термического расширения. Титан имеет низкий, по сравнению со сталью, модуль упругости. Это затрудняет создание жестких и вместе с тем легких конструкций.
Число титановых сплавов велико, и они используются в различных областях техники.
1.4.8 Цирконий и его сплавы
Основное применение цирконий находит в ядерной технике вследствие особого свойства – он слабо поглощает тепловые нейтроны.
На основе циркония получают сплавы, работающие в агрессивных средах, в частности, в атомных реакторах. Легирующие добавки используются для повышения прочности и долговременной прочности циркония, а также для нейтрализации примесей, отрицательно влияющих на коррозионную стойкость.
Наиболее важные легирующие добавки: Sn, Al, Mo, Nb. Все они повышают прочность циркония при комнатной температуре.
1.4.9 Бериллий
Бериллий, используемый как легирующая добавка в сплавах меди, никеля, алюминия, обладая наименьшим из всех металлов сечением захвата тепловых нейтронов и достаточно высокими коррозионной стойкостью и жаропрочностью, используется в ядерной энергетике. Он обладает очень высокой удельной прочностью, но мало пластичен и анизотропен.
1.4.10 Тугоплавкие металлы и их сплавы
Металлы с температурой плавления выше 1875 С (температуры плавления хрома) относятся к тугоплавким: W, V, Mo, Ta, Nb и другие. Наибольшей коррозионной стойкостью обладают Ta и Nb, а отсутствием склонности к окислению – лишь Cr. Все остальные металлы при 500-600 С интенсивно окисляются. Сплавы на основе тугоплавких металлов имеют лучшие свойства для работы в качестве жаропрочных металлов (имеют более высокую длительную прочность, лучше сопротивляются ползучести), чем основные металлы.