Что такое Прочность?
Прочностью называется способность разнообразных материалов без разрушения воспринимать напряжение под внешним воздействием различных сил. Прочность зависит не только от того, какой материал, но и имеет зависимость от типа состояния напряжения — например, это может быть сжатие, растяжение или изгиб. Также непосредственное влияние на прочность оказывают условия, при которых материал эксплуатируется — воздействия извне, температура окружающей среды.
Испытания на прочность
Существует понятие предела прочности, который является основной количественной характеристикой прочности и численно равен разрушающему напряжению для конкретного материала. Предел прочности для каждого материала определяется средним результатом серии испытаний, так как основные материалы, используемые в строительстве, характеризуются неоднородностью.
Если происходит статическая нагрузка для выявления прочности проводится испытание образцов определенного стандарта (как правило речь идет об образцах, имеющих сечение круглой формы, реже прямоугольной), диаграмма таким образом отражает зависимость относительного удлинения от величины действующего на образец напряжения.
Прочность материала различных конструкций обосновывается при сравнении тех напряжений, которые возникают в конструкции при внешнем воздействии, также с учетом таких показателей как пределы прочности и текучести.
О так называемой усталости материала (в частности, металла) говорят если при большом числе циклически повторяющихся внешних напряжений разрушение происходит даже при напряжениях меньших чем предел прочности. В этом случае рассчитывается циклическая прочность, т.е. обоснование прочности материала, проводящееся с учетом нагрузки, которая меняется с определенным циклом.
Твёрдость
Механическое свойство материала при внешнем воздействии не испытывать пластической деформации называется твёрдостью. В первую очередь оно зависит от механических характеристик материала, в частности структуры, модуля упругости, предела прочности и т.д. Количественную связь твердости от данных характеристик устанавливает общая физическая теория упругости.
Методы, с помощью которых экспериментально устанавливают твердость бывают как статическими (например, в поверхность вдавливается твердый предмет или же она царапается), так и динамическими. К статическим методам также относятся измерения твёрдости по Бринеллю (вдавление шарика в поверхность), Виккерсу (вдавление алмазного наконечника) и Роквеллу (для материалов с высокой твердостью используется алмазный конус, с низкой — шарик из стали). Также к статическим методам относится склерометрия — царапание алмазной структурой в виде конуса, пирамиды, или же карандашом различной твердости — оценивается нагрузка, которую необходимо приложить, чтобы создать царапину, а также размеры созданной царапины.
При динамических методах установления твердости материала благодаря ударной нагрузке наносится отпечаток шариком (по принципу маятника) и величина твердости характеризуется тем, как материал сопротивляется деформации от удара или же параметрами отскока шарика от поверхности, в том числе затуханию маятниковых колебаний.
Основные механические свойства металлов и сплавов
Свойство материалов принимать первоначальную форму после прекращения действия внешних сил называется упругостью, а деформация, исчезающая после снятия нагрузки, получила название упругой. Если к детали прикладывать все возрастающую нагрузку, то при достижении ею определенных значений и после прекращении ее действия деталь не примет своей первоначальной формы, а останется деформированной. Такая деформация называется пластической. Способность материала деформироваться под действием внешних нагрузок не разрушаясь и сохранять измененную форму после прекращения действия нагрузок называется пластичностью.
Материалы, не способные к пластическим деформациям, называются хрупкими. Такие материалы при избыточной нагрузке или под действием удара разрушаются внезапно. К хрупким материалам относятся (стекло, камень, чугун, закаленная сталь и др).
Важным свойством материалов, наряду с упругостью и пластичностью, является прочность. Она характеризуется максимальной нагрузкой, которую выдерживает материал детали не разрушаясь.
Детали машин в зависимости от условий работы должны обладать определенными механическими свойствами (прочностью, упругостью и пластичностью).
Прочность, упругость и пластичность металлов определяют при испытании образцов круглой или плоской формы на растяжение. Основными параметрами являются размер диаметра d и расчетная, контролируемая, длина l образца (рис. 1).
Рис. 1. Круглый образец до (а) и после (б) испытаний
Испытания выполняют на разрывных машинах.
Для получения сравнимых результатов введено понятие нормальное напряжение. Нормальным напряжением называют нагрузку, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца. Нормальное напряжение обозначается греческой буквой σ (сигма).
Для нагрузки Р в ньютонах (Н) и площади поперечного сечения F в мм2, σ = Р/ F Па (паскаль).
Отношением наибольшей нагрузки, которую выдержал образец до разрыва, к первоначальной площади его поперечного сечения определяется величина предела прочности. Пределом прочности называется напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдержал образец во время испытания, которое обозначается σв и выражается в Па.
Важная характеристика материалов — удельная прочность, которая определяется отношением предела прочности к удельному весу металла. Эта характеристика имеет большое значение при выборе материала, когда необходимо уменьшить массу машины.
Показатели пластичности, характеризующие способность металла деформироваться не разрушаясь, называют относительное удлинение и относительное сужение. Для получения этих показателей обе половины разорванного образца плотно прижимают друг к другу и измеряют длину рабочей части ( lк), а также диаметр образца в том месте, где произошел paзрыв (dк). Относительное удлинение обозначается греческой буквой δ и измеряется в процентах. Его определяют формуле:
(1)
где l – первоначальная расчетная длина; lк – расчетная длина после испытания.
Относительное сужение поперечного сечения образца Ψ, также измеряемое в процентах, находят по формуле:
(2)
где F — площадь поперечного сечения образца до испытания; Fk — площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке).
Пределом текучести называется наименьшее растягивающее напряжение, при котором деформация продолжает расти без изменения нагрузки, которое обозначается σт и выражается в Па.
Чем больше относительное удлинение и относительное сужение поперечного сечения образца, тем более пластичен металл. Так, например, техническое железо при растяжении до разрыва удлиняется в 1,5 раза, у серого чугуна относительное удлинение и относительное сужение близки к нулю. Для изготовления большинства деталей машин и конструкций используют относительно пластичные материалы, так как они не подвержены опасности внезапного разрушения.
При длительной эксплуатации детали машин подвергаются повторно-переменным нагрузкам (растяжение-сжатие). При напряжениях, меньших предела текучести или предела упругости, они могут внезапно разрушиться. Это явление называется усталостью металлов.
Способность металлов работать в условиях многократных повторноили знакопеременных нагрузок, определяют их предел выносливости (или усталости). Пределом выносливости (усталости) называют максимальное напряжение, которое выдерживает материал, не разрушаясь, при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов).
Для стальных образцов эту характеристику устанавливают при 10 млн. циклов, для цветных металлов — при 100 млн. циклов. Предел выносливости обозначают греческой буквой σ-1 и измеряют в Па.
Упругость
Если материал самопроизвольно восстанавливает форму, после того как внешняя сила прекращает действовать, то такое механическое свойство называется упругостью материала. Если после снятия внешней нагрузки, деформация полностью исчезает, то следует говорить об обратимой упругой деформации.
От чего зависит упругость?
Упругость материала непосредственно связана с силами взаимодействия, происходящими между отдельными атомами. В твёрдых телах при температуре равной абсолютному нулю и при отсутствии какого-либо внешнего воздействия атомы занимают положения, называемые равновесными. Потенциальная энергия тела увеличивается при воздействии внешнего напряжения, и атомы смещаются из равновесного положения. Соответственно, когда прекращается внешнее напряжение, конфигурация неравновесных атомов деформированного материала постепенно становится неустойчивой и возвращается в равновесное состояние. Помимо силы притяжения и отталкивания, которые действуют на каждый атом материала со стороны остальных, существуют и угловые силы, они непосредственно связаны с валентными углами, наблюдающимися между прямыми, которые соединяют атомы между собой. Естественно, это характерно исключительно для макроскопических тел и молекул, содержащих много атомов. Угловые силы уравновешиваются при равновесных значениях валентных углов. Когда говорят о количественной характеристике упругости материала, то используется модуль упругости, зависящий от напряжения воздействующего на материал и определяется производной зависимости напряжения от деформации, что применимо для области упругой деформации.
2. Методы повышения конструкционной прочности
- Технологические.
- Металлургические.
- Конструкторские.
Технологические. Цель – повышение прочности материала. Методами: легирования, пластической деформации, термической, термомеханической и химико-термической обработки. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов:
- увеличение плотности дислокаций. Чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому деформированию;
- создание дислокационных барьеров в виде границ зёрен, субзёрен, дисперсных частиц вторичных фаз. Важная особенность этого фактора упрочнения состоит в том, что измельчение зёрен (увеличение протяжённости их границ) сопровождается повышением ударной вязкости. Сильное торможение дислокаций создают дисперсные частицы вторичной фазы.
- образование полей упругих напряжений искажающих кристаллическую решётку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов – вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих элементов. Образования атмосфер Коттрелла атомами внедрения.
Вместе с тем повышение прочности, основанное на уменьшении подвижности дислокаций, сопровождается уменьшением пластичности, вязкости и тем самым надёжности.
Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т. е. надёжность материала.
Например, в углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском можно получить при содержании 0,4%С ϬB ~ 2400МПа, при 0,6%С ϬB ~ 2800МПа. Однако при такой прочности стали хрупки (КСТ ~ 0), эксплуатационно не надёжны.
Рациональное легирование предусматривает введение в сталь и сплавы нескольких элементов при невысокой концентрации каждого с тем, чтобы повысить пластичность и вязкость. Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой, особенно при использовании высокоскоростных способов нагрева – индукционного и лазерного.
Для повышения циклической прочности и износостойкости важно затруднить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, ХТО, поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами)
Металлургические. Цель – повышение чистоты металла и сплава, т.е. удаление вредных примесей: серы, фосфора, газообразных элементов (кислорода, водорода, азота и зависящих от содержания неметаллических включений).
Методы переплава: вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумно-индукционную плавку (ВИ), рафинирование синтетическим шлаком.
Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряжённых деталей. При их проектировании избегают – резких перепадов жёсткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Если этого избежать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.