2. Жесткость.

Определяющими характеристиками для длинномерных деталей (валы, штоки, ходовые винты) являются критерии жесткости. Значительная упругая деформация приводит в таких изделиях к потере формы и нарушению нормальной работы присоединенной детали. Высокая жесткость также важная для корпусных деталей. Именно критерии жесткости обуславливают размеры корпусов, от которых требуется высокая точность.

Возможно и противоположное требование – детали, где жесткость не нужна (мембраны, пружины, чувствительные элементы приборов). Для таких деталей важно обеспечить высокую упругость. В этом случае от материала требуется высокий предел упругости и низкий модуль упругости. Модули нормальный и сдвига структурно нечувствительны, т.к. их значения определяются энергией межатомных связей. Они слабо изменяются при легировании и практически не изменяются при термической обработке.

К металлам с модулем упругости меньше, чем у железа (E=2,1*10⁵ МПа), относят:

Mg – 0,45*10⁵ Мпа; Al – 0,71*10⁵ Мпа; Ti – 1,12*10⁵ Мпа; Cu – 1,15*10⁵ Мпа.

К металлам с модулем упругости выше, чем у железа, относят:

Be – 3,1*10⁵ Мпа; W– 4,1*10⁵ Мпа; Al₂O₃ – 4*10⁵ Мпа; алмаз – 9,6*10⁵ Мпа.

3. Надежность.

Для обеспечения надежности конструкции важно, чтобы каждому уровню прочности материала соответствовал необходимый запас трещиностойкости.

Началом развития современной механики разрушения считаются исследования английского инженера А. Гриффитса. В одной из своих работ он рассматривал изотропную бесконечную пластину конечной толщины, содержащую эллиптическую трещину длиной 2l с радиусом скругления r. Длина трещины существенно меньше ширины пластины:

Критерий Грифиитса – действующее значение напряжения, необходимое для развития хрупкой трещины длиной 2l:

где – удельная поверхностная энергия.

Критерий Гриффитса позволяет также вычислить критическую длину трещины при внешнем напряжении .

Критерий Гриффитса применим только к хрупким материалам. Для реальных материалов невозможно получить полностью хрупкое разрушение, т.к. зарождению и развитию трещины предшествует локализованная пластическая деформация. Если считать, что пластическая деформация сосредоточена в вершине трещины, то на нее затрачивается определенная энергия . Поэтому в уравнении критерия Гриффитса следует заменить на , и тогда для распространения трещины должно соблюдаться равенство выделяющейся энергии упругой деформации и энергии пластической деформации перед вершиной трещины.

Дж. Ирвин предложил критерий , Мпа*м, характеризующий работу, затраченную на образование новой поверхности трещины единичной длины:

– энергетический критерий.

Также он предложил критерий , характеризующий относительное локальное повышение напряжения в вершине трещины:

– силовой критерий.

Помимо рассмотренных критериев, существуют деформационные критерии квазихрупкого разрушения, по которым также можно определить будет ли трещина раскрываться. Но на практике наибольшее распространение получил коэффициент интенсивности напряжений . Принято считать, что мгновенное развитие трещины наступает в тот момент, когда достигает максимального (или критического) значения , которое называют критическим коэффициентом интенсивности напряжений. Значение зависит от толщины образца (детали); значение снижается с ростом толщины детали до тех пор, пока толщина не становится больше значения . При этой толщине значение стабилизируется, т.к. большая часть фронта трещины находится в состоянии плоской деформации.

При определении существуют следующие модели типов трещин:

Для модели трещины 1, как наиболее типичной, минимальное значение обозначается и называется критическим коэффициентом напряжений в условиях плоской деформации в вершине трещины. Величина – количественная характеристика трещиностойкости материала. На практике ее используют для определения связи между разрушающими напряжениями и размерами дефектов в элементах конструкции.

Определяют путем испытания специальных образцов с предварительно выращенной усталостной трещиной (ГОСТ 25506-85). Схема прямоугольного компактного образца с надрезом и выращенной усталостной трещиной:

О бразец подвергается внецентровому растяжению с автоматической регистрацией диаграммы в координатах нагрузка P – раскрытие берегов надреза V. По диаграмме определяют максимальное напряжение P_Q, при котором трещина раскрывается; по излому образца определяют длину трещины l. По этим данным по специальной зависимости определяют расчетный коэффициент интенсивности напряжений K_Q, который при соблюдении определенных условий принимают за .

Изложенная методика трудоемка и материалоемка, для материалов низкой и средней прочности необходимо изготовить крупногабаритные образцы, испытание которых требует мощного и громоздкого оборудования. В настоящее время существуют методики косвенной оценки по другим, более просто и экономично определяемым механическим и структурным характеристикам материалов ( )