- •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
1.4.1 Сплавы железа
Различают стали (С2%) и чугуны (2<С<6,7%).
Стали и чугуны еще легируют, поэтому их разнообразия велики.
Стали с содержанием легирующих элементов в количестве 3–5%, 5–10% и >10% называются соответственно низко-, средне-, высоколегированными.
Ni – повышает пластичность и вязкость.
Mn – увеличивает прокаливаемость, износостойкость.
Cr – упрочняет.
W – увеличивает твердость.
Мо – повышает прочность, пластичность.
V – улучшает свариваемость.
1.4.2 Алюминиевые сплавы
Кроме Al в сплавы входят С, Mg, Si, Zn, Mn, Fe. Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью.
Имеются литейные и обрабатываемые давлением сплавы. Первые менее пластичны, вторые сильнее упрочняются под влиянием термической обработки. На основе Al созданы высокопрочные и жаропрочные сплавы. Дюралюминий хорошо работает при низких температурах.
1.4.3 Магниевые сплавы
Основными элементами, входящими в магниевые сплавы, кроме Mg, являются Al, Zn, Mn. Первые два увеличивают прочность, а последний снижает склонность к коррозии. Вредными примесями являются Fe, Cu, Si, Ni. Магниевые сплавы обладают весьма высокой удельной прочностью. Они, как и алюминиевые, делятся на литейные и обрабатываемые давлением. У последних выше прочность, ударная и циклическая вязкость. Механические свойства Mg приведены в таблице 1.4.2.
Таблица 1.4.2 – Механические свойства магния
-
Вид
T,
кг/мм2
р,
кг/мм2
Нв,
кг/мм2
, %
, %
Литой
2,5
11,5
8
9
30
0,33
Деформир.
9,0
20,0
11,5
12,5
36
0,33
1.4.4 Сверхлегкие сплавы
Сверхлегкие конструкционные сплавы созданы на основе магния или алюминия посредством легирования их самым легким металлом – литием. Такое легирование не только снижает удельный вес сплава, но и улучшает пластические свойства и повышает модуль упругости. Одним из достоинств магниево-литиевых сплавов является повышенное их сопротивление внедрению в них высокоскоростных частиц, что очень важно в ракетной технике. Легирующее влияние Li на свойства сплавов показано в таблице 1.4.3.
Таблица 1.4.3 – Влияние легирования литием на механические свойства сплавов
-
Li, %
р,
кг/м2
, %
Нв,
кг/мм2
Li, %
р,
кг/мм2
, %
Нв,
кг/мм2
0
9,2
7,3
36
1,5
19,8
8,4
42
0,1
11,1
4,9
44
3,0
11,1
3,4
38
0,5
14,0
7,2
42
6,5
13,4
3,0
38
1,0
13,0
8,4
42
12
9,5
6,0
35