- •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
1.4.14 Силикатные материалы
Неорганическое стекло представляет собой истинный затвердевший раствор – сложный расплав высокой вязкости, неопределенное химическое соединение кислотных и основных окислов. Имеются силикатные, боросиликатные, галогенидные и т.д. стекла.
Стекло разрушается хрупко. Прочность существенно зависит от состояния поверхности.
Теплопроводность стекла очень низка по сравнению с другими материалами. Стекло лучше выдерживает резкое нагревание, чем резкое охлаждение.
Применение стекла зависит от изыскания путей повышения прочности при ударных и растягивающих нагрузках и от повышения его термостойкости.
Чем ниже теплопроводность стекла, выше коэффициент его термического расширения и больше температурный перепад при закалке, тем более высокой степени закалки можно достичь. Закаленное листовое стекло, при сопоставлении его с отожженным, обладает прочностью при статической нагрузке, большей в 4-6 раз, при ударе в 5-7 раз и большей термостойкостью в 2-3 раза.
Кварцевое стекло обладает высокой термостойкостью и является незаменимым материалом химпосуды, аппаратуры, трубопроводов.
Ситаллы занимают промежуточное место между стеклом и керамикой. В отличие от стекла они имеют кристаллическую структуру, а в отличие от керамики получаются путем полного плавления с последующим формированием изделий из пластической или жидкой стекломассы и кристаллизацией последней при охлаждении. Из ситаллов изготавливают трубы, химаппаратуру, подшипники, поршни и цилиндры в дизелях и других двигателях.
Керамика получается из исходных порошкообразных материалов путем спекания в процессе обжига.
Керамика изготавливается из чистых окислов (Al2O3, BeO и др.), нитридов (NbC, NaC и др.), боридов (LiB6, TiB2 и др.), силицидов, сульфидов.
Используется керамика в ракетостроении, атомной промышленности.
Некоторые свойства керамики:
а) температура плавления 2100 oC (LaB6)…4000 C (TaC);
б) удельный вес 3,0 – 10,75;
в) модуль упругости 14000–38000 кг/мм2;
г) с=80–300 кг/мм2, р=10–25 кг/мм2, =(7-14)×10-6.
1.4.15 Древесина
Древесина широко используется как конструкционный материал. Его свойства зависят от направления приложения нагрузки, влажности, дефектов древесины, породы. Предел прочности при разной ориентации силы может различаться в несколько раз. При понижении влажности происходит повышение прочности, начиная с влажности 30%, которой соответствует насыщение волокон водой.
1.4.16 Взрывчатые вещества
Помимо основного назначения взрывчатые вещества (ВВ) используются и как конструкционные материалы. Для этого применяются, как правило, бризантные ВВ (различают бризантные, инициирующие, пиросоставы, пороха).
По составу штатные бризантные ВВ это смесевые твердые вещества, в которых основным компонентом являются гексоген или октоген, мощные бризантные ВВ. Для обеспечения прессуемости вводится связка (тротил–коллоксилиновая или полимерная, например, фторопласт). Ряд ВВ армируется.
ВВ – малодеформируемые, хрупкие материалы. Предельные деформации при растяжении составляют 0,05–0,1 %. Предел прочности при растяжении 5–10 МПа. Предельные характеристики при сжатии примерно на порядок выше.
ВВ присущи реологические процессы: ползучесть, релаксация. Механические характеристики ВВ зависят от температуры, скорости нагружения, вида напряженно-деформированного состояния.