- •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
1.4.17 Требования к конструкционным материалам
Общие требования к материалу, удовлетворение которым может позволить считать его надежным: однородность свойств во всем занимаемом материалом объеме, стабильность свойств во времени, в разных поставках, малая чувствительность к перегрузкам, способность быть не чувствительным к концентрации напряжений, к надрезу, хорошие технологические свойства.
Для выбора приемлемого материала используются различные диаграммы свойств.
Следует подчеркнуть, что прочность материала в образце и реализуемая в конструкции не одинакова. Последняя называется конструкционной прочностью. Причинами отличия являются масштабный фактор, неоднородность напряженного состояния, технологические напряжения, подверженность конструкции в процессе эксплуатации повреждениям, агрессивное влияние окружающей среды, изменение свойств во времени, температура и др.
2 Механические теории прочности
Для современной техники характерно применение большого ассортимента различных конструкционных материалов (металлов, сплавов, бетонов, керметов, керамик, стекол, древесины, высокомолекулярных соединений, композитов и др.), мощных комплексов механических и тепловых воздействий, обусловливающих сложное напряженное состояние материала. В связи с этим возникает необходимость в разработке критериев для сопоставления механических характеристик, которые получены при простейших нагружениях (растяжении, сжатии, реже – кручении) и являются основной информацией о материале при расчете, с его сопротивлением пластическим деформациям и разрушению в условиях действия любой сложной системы напряжений.
В настоящее время предложено много гипотез относительно критериев равнопрочности. Большинство этих критериев получено при использовании основных соотношений механики сплошной среды. Поэтому сначала изложены некоторые вопросы теорий напряжений и деформаций с акцентом на характеристики, которые впоследствии используются для описания предельных состояний материала.
2.1 Основные положения теорий напряжений и деформаций
2.1.1 Гипотезы и принципы механики твердых деформируемых тел
В механике деформируемых тел среда рассматривается как сплошная с непрерывным распределением вещества. Поэтому напряжения, деформации и перемещения считаются непрерывными и дифференцируемыми функциями координат точек тела. Предполагается, что любые сколь угодно малые частицы твердого тела обладают одинаковыми свойствами. Такое толкование строения и свойств тел, строго говоря, противоречит действительности, так как все существующие в природе тела в микроскопическом смысле являются неоднородными. Под дефектами структуры (неоднородностью) следует понимать поликристаллическое строение материала, местные нарушения постоянства химического состава, наличие «инородных» примесей, микротрещины и другие дефекты, приводящие к локальным возмущениям поля напряжений. Однако в силу статистических законов относительные перемещения точек реального тела можно считать практически совпадающими с перемещениями соответствующих точек однородной модели. Чем меньше относительные размеры дефектов, тем больше оснований считать приемлемыми методы механики сплошной среды, оперирующей усредненными характеристиками механических свойств материала. Реальное тело заменяется идеальным, наделяя его важнейшими свойствами, к которым относится деформируемость, однородность, сплошность, изотропность.
Одной из важных предпосылок многих разделов механики деформируемых тел является принцип независимости действия сил, согласно которому внутренние усилия и деформации в упругом теле не зависят от порядка приложения нагрузки.