Вопрос №5 (Поведение материалов и деталей при нагружении).

При конструировании деталей машин их работоспособность обеспечивается, во-первых, выбором соответствующего материала и, во-вторых, расчётом размеров изделия, при этом прочностные расчёты следует увязывать с экономическими требованиями.

Основные конструкционные материалы: сталь, чугун, титановые и никелевые сплавы, сплавы цветных металлов, композиционные и неметаллические материалы (табл.1 на стр.23).

Композиционные материалы - это сплавы металлов или полимеры, армированные различными наполнителями в виде частиц или волокн. К неметаллическим конструкционным материалам относятся пластмассы, ДСП, резина, а также композиционные материалы на неметаллической основе, состоящие из термореактивной смолы и наполнителя. По удельной прочности и жёсткости такие материалы превосходят традиционные материалы.

Нагрузки, действующие на детали конструкции во время работы, могут быть сосредоточенными или распределёнными по поверхности. Статические нагрузки не меняются во времени или изменяются очень медленно: при их действии оценивают статическую прочность. Динамические нагрузки меняют своё значение в короткий промежуток времени, они вызывают большие ускорения и силы инерции и могут привести к внезапному разрушению конструкции. Повторно-переменные нагрузки многократно меняют своё значение или вместе значение и знак, вызывая усталость металла и необходимость расчёта на усталостную прочность. Под действием внешних сил (сила тяжести, внешние нагрузки, центробежные силы и т.д.) детали в той или иной степени меняют свою форму и размеры, то есть деформируются.В результате деформации в телах появляются внутренние силы упругости, распределённые по всей площади поперечного сечения тела и вызывающие напряжения.

Деформация свидетельствует о том, как далеко зашёл процесс расхождения, то есть каково относительное растяжение (или сжатие) межатомных связей. Различают упругую и остаточную деформации. Деформация, полностью исчезающая после прекращения действия внешних сил, называется упругой. Если после снятия нагрузки тело не восстанавливает прежней формы, то говорят об остаточной, пластической, деформации.

В реальных материалах напряжения и деформации всегда возникают одновременно.

Механическое напряжение - это мера внутренних сил, возникающих в теле под влиянием внешних воздействий (нагрузок,изменений температуры). Составляющие напряжения по нормали к сечению обозначают (сигма), а по касательной к нему обозначают (тау). Измеряют напряжение в Паскалях или МегаПаскалях.

В зависимости от направления действия приложенных сил в материале могут возникать различные виды деформаций (рис. 1.12 на стр.26): растяжение, сжатие, сдвиг (срез), смятие, кручение, изгиб, контактное сжатие, которые вызывают соответствующие напряжения.

Вопрос №6 (Критерии работоспособности и расчётов деталей машин).

Основными критериями работоспособности деталей и узлов машин являются: прочность, жёсткость, износостойкость, точность, а кроме того - виброустойчивость, теплостойкость, стойкость против коррозии и старения.

Прочность - способность детали или сборочной единицы выдерживать внешние нагрузки или другие внешние воздействия без разрушения. Прочность детали обеспечивается выбором материала и правильно рассчитанными размерами. Применение наиболее точных методов расчёта, более прочных и экономичных материалов даёт возможность получить размеры деталей без излишних запасов прочности и уменьшить их массу. Не следует путать прочность конструкции и прочность материала. Прочность конкретной конструкции определяется разрушающей нагрузкой (Н), которая приводит к её разрушению. Прочность материала характеризуется напряжением (Па), разрушающим сам материал.

Жёсткость - способность детали или сборочной единицы сопротивляться изменению положения и формы под влиянием внешних нагрузок. Особое значение это имеет для таких деталей, как валы, оси и их опоры. Оценка жёсткости обеспечивается проведением расчётов по определению линейных и угловых деформаций при нагружении деталей.

Имеется несколько возможных путей разрушения конструкций и деталей (Стоит глянуть табл. 2 на стр. 28).

Прочность конструкции и концентрация напряжений. Проф. К. Е. Инглис ввёл понятие «концентрация напряжений» и показал, что отверстия, трещины, острые углы и другие особенности поверхности существенно повышают местные (локальные) напряжения. (Формула Инглиса на стр. 29). Концентрация напряжений, то есть их неравномерное распределение, возникает в деталях возле отверстий, галтелей, кольцевых выточек, у шпоночных и шлицевых пазов, у основания резьбы и в других местах, где резко меняется конфигурация детали, а также там, где одна деталь напрессована на другую.

Расчёт на прочность обеспечивает стойкость конструкции к разрушению, при расчёте прочности деталей обязательно следует учитывать влияние концентрации напряжений.

Усталостное разрушение проявляется при циклических нагрузках в виде образования микротрещин внутри кристаллической структуры металла в наиболее слабом месте.В середине XIX в., было замечено, что движущиеся части машин (в частности, оси железнодорожных вагонов) выходят из строя при таких нагрузках, которые были бы совершенно безопасны для неподвижных деталей.

Расчёт на выносливость можно предотвратить усталостные разрушения под действием циклических нагрузок и многократно изменяющихся напряжений.