Феодосьев В.И. Сопротивление материалов (1075903), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Из данных, приведенных в табл. 1.1, видно, например, что закалка резко повышает прочностные характеристики стали и одновременно снижает ее пластические свойства. Лля большинства широко применяемых в машиностроении материалов хорошо известны те режимы термообработки, которые обеспечивают получение необходимых механических характеристик материала. Испытание образцов на растяжение — сжатие дает объективную оценку свойств материала. В производстве, однако, для оперативного контроля за качеством изготовляемых деталей этот метод представляет в ряде случаев значительные неудобства. Например, при помощи испытания на растяжение— сжатие трудно контролировать правильность термообработки готовых изделии.

Для такого контроля нужно было бы для каждой партии деталей изготовлять несколько образцов, проходящих все стадии термообработки вместе с деталями, а затем подвергать эти образцы' испытанию на растяжение или сжатие и таким образом определять механические характеристики для готовой партии деталей. Такой прием сильно загружал бы производство и снижал бы оперативность контроля. На практике большей частью прибегают поэтому к сравнительной оценке свойств материала при помощи пробы на твердость. Под твердостью понимается способность материала противодействовать механическому проникновению в него посторонних тел.

Понятно, что такое определение твердости повторяет, по существу, определение прочности. В материале при 90 вдавливании в него постороннего тела возникают местные пластические деформации, сопровождающиеся при дальнейшем увеличении сил местным разрушением. Поэтому показатель твердости связан с показателями прочности и пластичности и зависит от конкретных условий ведения испытания. Наиболее широкое распространение получили методы измерения твердости по Бринелю и по Роквеллу.

В первом случае в поверхность исследуемой детали вдавливают стальной шарик диаметром 10 мм, во втором — алмазный острый наконечник. По обмеру полученного отпечатка судят о твердости материала. Испытательная лаборатория обычно располагает составленной путем экспериментов переводной таблицей, при помощи которой можно приближенно по показателю твердости определить предел прочности материала. Таким образом, в результате испытаний на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая деталь.

1.11. Влияние температуры и фактора времени на механические характеристики материала Все сказанное выше о свойствах материалов относилось к испытаниям в так называемых нормальных условиях, т.е. при температуре 20ОС и при сравнительно небольших скоростях изменения нагрузок и удлинений, которые обеспечиваются обычными испытательными машинами.

Нормальной скоростью деформации считается Ые/й = О, 01... 3 мин диапазон температур, в пределах которого реально работают конструкционные материалы, выходит далеко за рамки указанных нормальных условий. Есть конструкции, где материал находится под действием чрезвычайно высоких температур, как, например, в стенках камер воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Имеются конструкции, где, напротив, рабочие температуры оказываются низкими. Это — элементы холодильных установок и резервуары, содержащие жидкие газы.

В широких пределах изменяются также и скорости нагруження, и время действия внешних сил. Есть нагрузки, действующие годами, а есть такие, время действия которых исчисляется миллионными долями секунды. Понятно, что в зависимости от укаэанных обстоятельств механические свойства материалов будут проявляться по-разному. Обобщающий анализ свойств материала с учетом температуры и фактора времени окаэывается очень сложным и не укладывается в простые экспериментально полученные кривые, подобные диаграммам растяжения. Функциональная зависимость между четырьмя параметрами о, е, температурой ~0 и временем 1: ~(о, е, Р, 1) = О, не является однозначной и содержит дифференциальные и интегральные соотношения входящих в нее величин.

Так как в общем виде аналитическое или графическое описание указанной функции дать не удается, то влияние температуры и фактора времени рассматривают в настоящее время применительно к частным классам задач. 11еление на классы осуществляют в основном по типу действующих внешних сил.

Различают медленно, быстро и весьма быстро изменяющиеся нагрузки. Основными нагрузками, изучаемыми в сопротивлении материалов, являются медленно изменяющиеся, или статические. Скорость изменения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия, которую получают перемещающиеся частицы деформируемого тела, составляет ничтожно малую долю от работы внешних сил. Иначе говоря, работа внешних сил преобразуется только в упругую потенциальную энергию, а также в необратимую тепловую энергию, связанную с пластическими деформациями тела. Испытание материалов в так называемых нормальных условиях происходит под действием статических нагрузок. Если вести испытания на растяжение при различных температурах образца, оставаясь в пределах нормальных скоростей деформации (Ня/Н = О, 01... 3 мин ), то можно в определенном интервале получить зависимость механических характеристик от температуры.

Эта зависимость обусловлена температурным изменением внутрикристаллических и межкристаллических связей, а в некоторых случаях и структурными изменениями материала. 6,МПа 000 ~ ГПа а0 100 ~3 4У , 1Х 0 ИЮ 700 100 400 1,'В Рис. 1.47 93 На рис. 1.47 показана зависимость от температуры модуля упругости Е, предела текучести о~р, временного сопротивления и и удлинения при разрыве б для малоуглеродистой стали в интервале 0...500'С. Как видно из приведенных кривых, модуль упругости в пределах 0...ЗОООС практически не меняется. Более существенные изменения претерпевают о~ р и б, причем имеет место, как говорят, "охрупчивание" стали— удлинение при разрыве уменьшается.

При дальнейшем увеличении температуры пластические свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают. Явление "охрупчивания" при повышенных температурах свойственно в основном малоуглеродистой стали. Легированные стали и цветные сплавы при повышении температуры обнаруживают большей частью монотонное возрастание б и такое же монотонное снижение ~т~ р и и, . Ка рис. 1.48 показаны соответствующие кривые для хромомарганцевой стали марки ЗОХГСА. Чем выше температура, тем труднее определить механические характеристики материала. Происходит это не только потому, что возрастают сложности в технике эксперимента, но также вследствие того, что сами характеристики становятся б, МПа глю (ХИ !1Я 7ааП ЮЮ И Ю 0 -Л6-МО И 5М Вд ОРФФ Яд Од 7О$,'1Г Рис.

1.48 94 менее определенными. При статическом нагружении, начиная с некоторых значений температур, резко сказывается фактор времени. Лля одних материалов это происходит при более низких, для других — при более высоких температурах. Влияние фактора времени обнаруживается и при нормальных температурах.

Однако для металлов его влиянием можно пренебречь. Для некоторых же органических материалов даже при низких температурах скорость нагружения существенно сказывается на определяемых характеристиках. Изменение во времени деформаций и напряжений, возникающих в нагруженной детали, носит название иолэучестпи. Частным проявлением ползучести является рост необратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление носит название лослвдвйсшвия. Наглядной иллюстрацией последействия может служить наблюдаемое увеличение размеров диска и лопаток газовой турбины, находящихся под воздействием больших центробежных сил и высоких температур. Это увеличение размеров необратимо и проявляется обычно после многих часов работы двигателя. Другим частным проявлением свойств ползучести является релаксация — самопроизвольное изменение во времени напряжений при неизменной деформации.

Релаксацию можно наблюдать, в частности, на примере ослабления затяжки болтовых соединений, работающих в условиях высоких температур. Наиболее просто исследовать явление последействия. Если нагрузить образец постоянно действующей силой (рис. 1.49) и следить за изменением его длины в условиях фиксированной температуры, можно получить диаграммы последействия (рис. 1.50), дающие зависимость деформации от времени при различных значениях напряжения о. Рис.

1.50 Как видно из этих кривых, нарастание деформаций происходит вначале очень быстро. Затем процесс стабилизируется и деформации увеличиваются с постоянной скоростью. С течением времени на образце, как и при обычном испытании, появляется шейка. Незадолго до разрыва имеет место быстрое возрастание местных деформаций в результате уменьшения площади сечения. При более высоких температурах изменение деформаций во времени происходит быстрее. Для данного материала можно при помощи методов теории полэучести перестроить диаграммы последействия в диаграммы релаксации.

Последние, впрочем, можно получить и экспериментально. Лля этого, правда, требуется более сложная аппаратура, так как необходимо, сохраняя удлинение образца, замерять изменения растягивающей силы. Вид диаграмм релаксации, дающих зависимость напряжения от времени, представлен на рис. 1.51. Рис. 1.51 Основными механическими характеристиками материала в условиях полэучести являются предел длительной прочности и предел ползучести. Пределом длительной прочности называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения. Таким образом, предел длительной прочности зависит от заданного промежутка времени до момента разрушения.

Последний выбирается равным сроку службы детали и изменяется в пределах от десятков часов до сотен тысяч часов. Соответственно столь широкому диапазону изменения времени меняется и предел длительной прочности. С увеличением времени он, естественно, падает. Пределом ползучести называется напряжение, при котором пластическая деформация эа заданный промежуток времени достигает заданной величины. Как видим, для определения предела ползучести необходимо задать интервал времени (который определяется сроком службы детали) и интервал допустимых деформаций (который определяется условиями эксплуатации детали).

Пределы длительной прочности и ползучести сильно зависят от температуры. С увеличением температуры они, очевидно, уменьшаются. Среди различных типов статических нагрузок особое место занимают периодически изменяющиеся, или циклические, нагрузки. Вопросы прочности материалов в условиях таких нагрузок составляют содержание специального раздела сопротивления материалов и связываются с понятиями выносливостпи, или усталости, материала.

Характеристики

Список файлов книги