книги из ГПНТБ / Кузнецов В.И. Машиностроительные материалы и технология их обработки

В таблице 2 приведены средние значения механиче­ ских характеристик некоторых материалов, испытания которых проводились при комнатной температуре.

Таблица 2

Средние значения пределов упругости, текучести и прочности, кГ/мм2

§ 4. В Ы Б О Р Д О П У С К А Е М Ы Х Н А П Р Я Ж Е Н И Й

Испытания материалов на растяжение показывают, что с переходом напряжения за предел пропорциональ­ ности такие материалы, как, например, углеродистая сталь, получают значительные остаточные деформации, которые возрастают с течением времени и могут повести к значительным изменениям формы детали, а в крайнем случае и к ее разрушению.

Поэтому при проектировании машин, чтобы придать им достаточную прочность, надо выбирать такие расчет­ ные напряжения, которые были бы значительно ниже предела текучести и предела прочности и во всяком слу­ чае не превосходили бы предела пропорциональности.

30

Такое допускаемое предельное напряжение назы­ вается «допускаемым напряжением» н обозначается через {а], или а д , а отношение предела текучести или предела прочности к допускаемому напряжению назы­ вается коэффициентом запаса прочности.

Выбор надлежащей величины для коэффициента запаса прочности, а следовательно, и для допускаемого напряжения имеет важное значение при проектировании машин, так как прочность и экономичность машины зависят не только от того, насколько точно произведен расчет машины, но также и от удачного выбора допу­ скаемых напряжений для тех материалов, из которых будет сделана машина.

Выбрав излишне высокие допускаемые напряжения ради экономии материала, можно получить в результате недостаточно прочную машину или ее деталь. При малых же допускаемых напряжениях прочность машины, конечно, будет обеспечена в большей степени, но маши­ на или ее деталь получится тяжелой, не экономичной и дорогой.

При тех разнообразных условиях, в которых прихо­ дится работать различным деталям машин, и при нали­ чии множества материалов, из которых эти детали могут быть изготовлены, нет возможности дать какие-либо точные, вполне определенные нормы допускаемых напря­ жений. Поэтому имеются примерные нормы, выработан­ ные практикой машиностроения и устанавливаемые тех­ ническими условиями.

Что касается выбора запаса прочности, величина его зависит от многих факторов, и в частности от степени точности расчета.

Б а з о й д л я в ы б о р а ч и с л е н н о й в е л и ч и н ы

31

допускаемого напряжения определяют отношением пре­ дела текучести к коэффициенту запаса прочности п т

(см. рис. 7).

Г1 1

Для хрупких материалов базой для выбора допускае­ мых напряжений считают предел прочности или времен­ ное сопротивление ов (рис. 13).

М'=-У°„

Пв

Коэффициент запаса прочности для различных слу­ чаев устанавливается в зависимости от характера дей­ ствия нагрузок, от вида материала и т. п.

Рис. 13. Диаграмма растяжения для хрупкого материала.

Так, например, при статическом действии нагрузок для пластических материалов принимается

пт= 1,25 -т-2,0,

32

а для хрупких

пв= 3,00 "f- 9,00.

При динамическом действии нагрузок для пластиче­ ских материалов принимается

Яд=1,7^3,2.

В таблице 3 приведены средние значения допускае­ мых напряжений на растяжение и сжатие для некоторых материалов, испытания которых производились при ком­ натной температуре.

§ 5. Д И А Г Р А М М А Р А С Т Я Ж Е Н И Я Д Л Я Х Р У П К И Х М А Т Е Р И А Л О В

На рис. 13 показана диаграмма растяжения для се­ рого чугуна. Этот материал имеет очень низкий предел пропорциональности, не обладает свойством текучести и разрушается при весьма малых деформациях.

Разрушение чугунного образца происходит без обра­

зования шейки.

Как правило, хрупкие материалы плохо сопротивля­ ются растяжению, их предел прочности на разрыв ока­ зывается незначительным.

Зависимость деформаций от напряжений при растя­ жении хрупких материалов обычно не подчиняется зако­ ну пропорциональности; на диаграмме вместо прямоли­ нейного участка даже при низких напряжениях получа­ ется слегка искривленная линия. Из этого следует, что модуль упругости первого рода, равный тенгенсу угла наклона касательной к диаграмме напряжений, для таких материалов, как чугун, меняется в зависимости от величины напряжения.

Однако в пределах тех напряжений, при которых обычно работают детали из хрупких материалов, наблю­ дающиеся отклонения от закона пропорциональности незначительны. Поэтому при практических расчетах заменяют криволинейную часть диаграммы соответст­ вующей хордой и считают модуль упругости первого рода величиной постоянной.

§ 6. В Л И Я Н И Е Т Е М П Е Р А Т У Р Ы НА С В О Й С Т В А

МА Т Е Р И А Л О В

Вмашиностроительной практике приходится оцени­ вать прочность того или иного материала и при высокой температуре. С подобными задачами приходится встре­

п е р а т у р ы п о н и ж а е т с я п р о ч н о с т ь и п о в ы ­ ш а е т с я п л а с т и ч н о с т ь . При высокой температуре, начиная с 300—400°С, металлы при постоянной нагрузке

34

непрерывно, хотя и очень медленно, деформируются, с повышением нагрузки или температуры скорость дефор­ мации возрастает. Это свойство металлов непрерывно деформироваться под действием постоянной нагрузки при высокой температуре называется п о л з у ч е с т ь ю .

При п о н и ж е н и и т е м п е р а т у р ы п р о ч н о с т ь с т а л и у в е л и ч и в а е т с я , но с и л ь н о с н и ж а е т ­ ся п л а с т и ч н о с т ь .

Результаты испыта­ ний обычно наносят на диаграмму (рис. 14). Участок АВ соответст­ вует упругому удлине­ нию, криволинейный участок ВС — удлине­ нию с убывающей ско­ ростью. Если удалить нагрузку в период, со­ ответствующий этому участку, то можно за­ метить, что будет про­ исходить медленное со­ кращение длины об­ разца.

В точке С скорость возрастания деформа­

ции достигает определенной величины, и с этого момента возрастание деформации «ползучести» происходит с по­ стоянной скоростью (участок СД). В точке Д скорость нарастания деформации начинает возрастать (участок ДЕ), и в точке Е образец разрывается. Тангенс наклона прямой СД к оси абсцисс будет представлять собой ско­ рость нарастания удлинений при данных напряжениях и температуре. Эта скорость представляет большой прак­

тический интерес, так как продолжительность работы машины будет зависеть от скорости, с которой нара­ стают деформации.

Определив эти скорости при различных температурах

Если мы хотим, чтобы скорость ползучести при темпера­ турах выше 400°С была та же, что и при 400°С, надо до­ пускаемое напряжение уменьшить. Если допускаемое напряжение при 400° считать за единицу (100%), то при 500°С для этой же цели надо взять 36% от допускаемого напряжения при 400°С, при 550°С — 20% и т. д.

36

§ 7. Д И А Г Р А М М А С Ж А Т И Я Д Л Я П Л А С Т И Ч Е С К И Х И Х Р У П К И Х М А Т Е Р И А Л О В

Диаграмма сжатия для пластических материалов. При испытании материалов на сжатие применяют образ­ цы в виде кубиков или цилиндров с высотой немного больше диаметра. Обычно для металлов принимают высоту h в пределах d -ь2d. Для более длинных образцов в опытах трудно избежать их искривления (продольного изгиба).

При сжатии пластических материалов при напряже­ ниях ниже предела пропорциональности или предела текучести материал ведет себя так же, как при растя­ жении.

После перехода за предел пропорциональности появ­ ляются заметные остаточные деформации. Благодаря

Рис. 16. Диаграмма сжатия:

а —для стали; б —для чугуна.

37

трению между зажимами пресса и основаниями образца затрудняются поперечные деформации материала у тор­ цов образца и он принимает бочкообразную форму.

Диаграмма сжатия для хрупких материалов. При испытании хрупких материалов применяют образцы

Например, если для чугуна предел прочности при растя­

нальными, т. е. закон пропорциональности не имеет места.

§ 8. Н А Т У Р Н Ы Е И С П Ы Т А Н И Я

Наряду с совершенствованием методов теоретическо­ го анализа напряженного состояния большое развитие получают методы испытаний не отдельных образцов, а целых деталей и даже машин в натуральную величину.

Большим шагом в этом деле явилось развитие элек­ тронной аппаратуры, что позволило применять для из­ мерения деформаций деталей машин различные дат­ чики.

Наиболее широкое распространение при эксперимен­ тах получили проволочные тензометрические датчики сопротивления, основанные на использовании свойства некоторых металлов (константа, нихрома и других)

38

менять свое электрическое сопротивление при растяже­

нии— сжатии.

Такие датчики благодаря своим малым размерам (применяются с базой 20, 10, 5 и даже 3 мм) наклеива­ ются в любой исследуемой точке машины. Они преобра­ зуют деформацию материала испытываемой конструк­ ции в пропорциональный ей электрический сигнал, уси­

сложных конструкций (самолетов, локомотивов, вагонов, мостов и др.) напряжения с помощью проволочных тен­ зометрических датчиков измеряют одновременно в не­ скольких десятках и сотнях тысяч точек. В целях ускоре­ ния процесса съема показаний применяются автомати­ ческие устройства, позволяющие производить регистра­ цию напряжений во всех этих точках в течение несколь­ ких минут.

Развитие методов электрического тензометрирования открыло новые возможности в изучении напряженного состояния конструкций и элементов машин в процессе их работы, в динамике, важность которых для создания и совершенствования машин трудно переоценить.

Сейчас уже не представляет особых трудностей изу­ чить напряженное состояние коленчатого вала двигате­ ля, оси и сепаратора роликового подшипника локомоти­ ва или вагона и других деталей в процессе их движения с рабочими скоростями. С этой целью на указанные детали наклеиваются тензометрические датчики, а на торце вращающейся оси устанавливаются специальные токосъемные устройства, передающие сигналы датчика через усилитель на регистраторы — осциллографы.

В других случаях, где проводная связь нежелательна или невозможна, сигналы датчика на регистратор пере­ даются с помощью радиоволн. Так исследуется, напри­

39