
- •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
8.6 Тепловые испытания изделий
При тепловых испытаниях определяются следующие параметры изделия:
- температурные поля изделия;
- изменение плотности сборки (геометрия, усилия);
- определение термостойкости;
- определение допустимых кратковременных диапазонов эксплуатации.
Определение нестационарных температурных полей ведется
в последовательности:
- выдержка до теплового равновесия при t1;
- переход к t2;
- выдержка при t2;
- измеряется температура воздуха в камере и на элементах изделия.
Для определения плотности сборки образец оснащается датчиками зазоров, перемещения и др. Измеряется плотность сборки, как в переходных, так и в стационарных режимах.
Термостойкость определяется путем воздействия возрастающих перепадов температур, как при охлаждении, так и при нагреве. Разрушение фиксируется по датчикам, либо при дефекации.
По результатам
испытаний определяется коэффициент
запаса k по термопрочности:
,
где
— максимальный перепад, который выдержали
детали из ВВ без разрушения;
—
перепад, допускаемый по ТТ.
По полученным данным о температурном поле, термостойкости и плотности сборки формируют критериальные параметры температурного поля и устанавливают их предельно допустимые значения.
8.7 Климатические испытания
Основные виды климатических испытаний:
- на теплоустойчивость;
- на холодоустойчивость,
- на циклическое воздействие температур;
- на влагоустойчивость (с конденсацией, без конденсации).
Наиболее сложными являются экспериментальные исследования и обоснование гарантийных сроков.
Надежно это может быть сделано только по совокупности работ:
а) использование результатов испытаний аналогов;
б) специальные исследования:
1) ускоренные климатические испытания (УКИ):
- поэлементная отработка;
-ресурсные испытания изделий;
- исследования предельных состояний;
2) испытания по ТТ на основные виды климатических воздействий;
3) натурные климатические испытания, опытное хранение (ОХ);
в) испытания на контрольном режиме (предварительные, приемочные, квалификационные);
г) контрольные проверки (КП), КП с ЛКИ (лабораторно-конструкторские испытания);
д) переаттестационные испытания.
8.8 Испытания на безопасность
В соответствии с требованиями МАГАТЭ, ОПБЗ упаковки для безопасной перевозки подвергаются испытаниям на нормальные и аварийные условия перевозки.
К испытаниям на нормальные условия перевозки относятся:
- обрызгивание водой в течение часа с интенсивностью 5 см в час;
- свободное падение упаковки массой до 5 т, с высоты 1,2 м, до 10 т - с высоты 0,9 м, до 15 т - с высоты 0,6 м, более 15 т - с высоты 0,3 м;
- укладка штабелем (сжатие в течение 24 ч усилием 5Р (Р — вес упаковки));
- испытания на глубину разрушения (сброс на упаковку стержня массой 6 кг, диаметром 3,2 см с высоты 1 м).
К испытаниям на аварийные условия перевозки относится совокупность испытаний на механические повреждения и тепловые воздействия, а также погружение в воду.
Испытания на механические повреждения состоят из трех различных испытаний на падение. Последовательность их должна быть такой, чтобы полученные повреждения приводили бы к максимальному повреждению при последующем тепловом испытании.
Первое падение упаковки — с высоты 9 м на мишень (стальную плиту).
Второе падение упаковки — с высоты 9 м на штырь диаметром 15 см, высотой 20 см.
Третье падение плиты массой 500 кг, размерами 1х1 м с высоты 9 м.
Тепловое испытание заключается в воздействии на упаковку пламени углеводородного топлива в течение 30 минут со средней температурой не менее 800°С.
Гидростатическое испытание проводится путем погружения упаковки в воду на глубину 15 метров (или при давлении 1,5 кгс/см2) в течение 8 часов.