Механические свойства материалов

Напряжений. Виды нагружения

Под действием внешних сил на элементы энергоустановок возникают внутренние силы. Внешние силы по способу приложения могут быть сосредоточенными и распределенными; поверхностными и объемными; статическими и динамическими. Схемы приложения внешних сил представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схемы приложения внешних сил

Внутренние силы определяют методом сечения. Например:

N – нормальная продольная сила.

Кроме того, внутренние силы могут быть представлены поперечными силами, изгибающими моментами и крутящими моментами.

Однако, выявив внутренние силы, еще нельзя судить о прочности тела. Характеристикой прочности является напряжение, то есть величина интенсивности внутренних сил, представляющая собой отношение:

s = N / S, МПа, (1.1)

где S – площадь поперечного сечения тела.

Механические свойства материалов определяют при лабораторных испытаниях: на растяжение [s_р], сжатие [s_сж], срез [s_ср], кручение [s_кр], изгиб [s_из], усталость [s_ус].

Наиболее важными являются испытания на растяжение, которые характеризуются прочностью, пластичностью и твердостью.

Прочностью материала называется его способность противостоять действию напряжений.

Пластичностью материала называют его способность проявлять значительные остаточные деформации без разрушения.

Твердостью называют его способность противодействовать проникновению в него другого более твердого материала. Твердость измеряется по шкале Бринеля (HВ), Роквелла (HRC).

По степени проявления остаточных деформаций все вещества условно разделяют пять групп:

– весьма пластичные (чистый свинец, красная отожженная медь, золото, литой алюминий);

– пластичные (латунь, отожженная малоуглеродистая сталь);

– рупко-пластичные (закаленная углеродистая сталь, пружинная сталь, металлокерамика, ковкий чугун);

– хрупкие (серый литейный чугун);

– весьма хрупкие (инструментальная сталь без отпуска, белый чугун).

Для приближенной оценки свойств пластичности материалов вводится качественная градация по двум признакам: пластичные и хрупкие материалы.

Пластичными считают материалы, которые разрушаются после значительных остаточных деформаций, более 5 %.

Хрупкие материалы разрушаются при небольших остаточных деформациях, менее 5%.

Хрупкие материалы плохо работают на растяжение, не выносят ударов, но хорошо сопротивляются сжатию.

Диаграмма растяжения и напряжений для пластичных материалов представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Диаграмма растяжения и напряжений для пластичных

материалов: Dl – удлинение образца; e = (Dl/l) ∙100 % – относительное

удлинение; ОА – упругие деформации, в зоне которых образец практически восстанавливает свою длину при снятии нагрузки; в точке (В) деформация достигает 0,02 % – напряжение в этой точке называют пределом упругости;

ВС – материал течет без заметной увеличения нагрузки; напряжение, при

котором деформация возрастает без увеличения нагрузки и переходит из

упругой области в упруго-пластичную, называется пределом текучести s_т;

СD – зона упрочнения (наклеп или нагартовка)

Наклеп – это свойство широко используется в технике для поверхностного упрочнения деталей. Например, канаты грузоподъемных устройств подвергают нагрузке выше рабочей, при которой происходит их вытяжка и наклеп.

Однако нужно не забывать, что наклеп сопровождается снижением пластичности, а также возникновением сдвигов и микротрещин, являющихся концентраторами напряжений. Наклеп может быть снят при помощи отжига.

При вальцовке труб в барабане котла или трубок в трубных досках подогревателей происходит деформация металла как трубы, так и отверстия. Необходимо не допускать перевальцовки, что особенно актуально при ремонте и подвальцовке. Для отверстий с диаметром больше допускаемого подбираются трубы с плюсовым допуском.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, называется временным сопротивлением – s_в.

Пределом прочности (s_пч) называется напряжение, которое получается, если разделить нагрузку в точке К на действительную величину площади сечения шейки в момент разрыва.

Механические характеристики материалов даются в справочных таблицах.

Виды нагружения

Одним из основных критериев работоспособности материала является его прочность. Прочность – это способность детали сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций под действием нагрузки.

Различают объемную и контактную (поверхностную) прочность. При расчете на прочность различных конструктивных элементов теплосилового оборудования в качестве определяющего критерия работоспособности выступает объемная прочность.

Контактная прочность определяет работоспособность узкоспециального класса изделий в машиностроении – шестерен, зубчатых и червячных колес механических передач и в данном курсе лекций рассматриваться не будет.

Объемная прочность определяется видом нагружения. В зависимости от вида нагружения различают напряжения растяжения, сжатия, изгиба или кручения. Особенностью этих напряжений является то обстоятельство, что они возникают по всему сечению детали. Различные виды нагружения элементов конструкций и возникающие в них напряжения представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Виды нагружения деталей и возникающие напряжения