Феодосьев В.И. Сопротивление материалов 1986 г. (1240839), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Наверное, нам нужна не только прочность, но и надежность, которая находит свое выражение в достаточной вязкости материала, а может, и еще в каких-то пока ие названных качествах. $ ВЗ. О НОВЫХ МАТЕРИАЛАХ ав И второй вопрос. Если предельная прочность для основных конструкционных материалов количественно составляет примерно десятую часть модуля упругости, то это значит, что в эксплуатационных условиях все конструкционные материалы будут иметь деформации, соответственно приближающиеся к 10%.
Как видим, находясь на верхних этажах прочности, мы весьма заметно теряем в жесткости. Сможет ли, например, легкий и весьма прочный коленчатый вал двигателя нормально работать, если возникающие в нем деформации измеряются несколькими процентами. Таким образом, для практических целей важен не только предел прочности. Есть еще ряд механических характеристик, как самостоятельных, так и связанных с прочностью. И их необходимо принимать во внимание. Сейчас в практику машиностроения внедрено много металлов и металлических сплавов, высококачественных и прочных. Но все металлы без исключения обладают одной характерной и вместе с тем неприятной особенностью. С повышением прочности их вязкость, как правило, падает.
Оно и понятно. Упрочняя материал путем легирующих добавок или термообработкой, мы в той или иной мере ограничиваем дислокационные перемещения, а они-то как раз и придают материалу вязкость. Они способствуют рассеянию энергии на фронте трещины. Значит, следует попытаться найти или искусственно создать еще какие-то формы рассеяния энергии, препятствующие распространению трещин. Находкой нашего века явилось создание микронеоднородных структур — композитов, где развитию трещин поставлен заслон в виде высокопрочных волокон. Матрица прочно связана с нитями, и развивающаяся трещина не может их обойти и не может продвинуться дальше, не разрушив их. Это — все равно, что попробовать расколоть полено, предварительно вбив в него поперек хотя бы несколько гвоздей. Таким образом, обнаруживается путь повышения вязкости при высокой прочности.
Но значение композитов не только в этом. Чрезвычайно важно, что композиты заставили по-новому осмыслить наше отношение ко многим материалам, казавшимся прежде ни к чему не пригодными из-за своей хрупкости. И наглядным примером тому является, прежде всего, то же самое стекло, о котором мы только что говорили. Следом за стеклом пошли в дело и высокопрочные, но чрезвычайно хрупкие минералы, лежащие буквалыо 320 гл.
а. критянин пластичности и рлзрущвния у нас под ногами. Конечно, с ними необходимо было поработать. Чтобы представить потенциальные возможности различных веществ, составляющих композиционные структуры, нет необходимости вчитываться в подробнейшие справочные таблицы, где приводится множество механических Таблица 1О Характерные свойства конструкционных веществ гп» ил с о т/см' ос, мп» Вещество 500 — 1500 200 — 350 300 †6 600 †12 7,87 1,74 2,70 4,50 8,9 10,2 19,3 1,85 8,57 1,5 200 45 71 100 200 330 410 240 82 0,5 — 5 1536 650 660 1665 !455 2620 3400 1287 2415 1 1,02 1,03 0,87 0,88 1,27 0,84 5,70 0,38 0,02 — 0,1 1200 — 2400 300 — 600 500 — 1000 10 — 100 1,5 2000 — 3000 300 «) 200 — 20 000 ««) 5ОО ); !ООО 100 «) 3000 ««) 3000 ««) 500 — 1000 «') 3000 ««) 2000 — 3000 ««) 2046 1950 1870 1870 2600 2470 1800 2300 3,97 4,55 3,65 4,24 3,2 2,5 3,2 2,7 1,7— 2,2 3,96 2,85 3,!3 2,69 5,53 7,08 0,58 5,83 5 — 9 ') — соииириствллм, '*) — исти.
характеристик. Достаточно ухватить главные. А главным в данном случае для каждого вещества является его модуль упругости. От него зависит жесткость, от него зависит и предельная прочность. Необходимы еще такие характеристики, как температура плавления и плотность. В то же время нет нужды особо фиксировать свое внимание на реальном пределе прочности. Он изменяется в широких Железо Магний .Алгоминий Титан Никель Молиблен Вольфрам Бериллий Ниобий Полимеры аморф. иые Полимеры кристаллические Сапфир А1»Ов Грават А1»У»О»в МИО Ругал Т! Ов 5!С ВС 51»)Ч» Бороволокно Углеволокно 100— 120 400 330 290 290 450 450 47 400 300— 500 в 63.
О НОВЫХ МАТЕРИАЛАХ 321 пределах в зависимости от фазового состава и от методов технологической обработки. В табл. 10 приведены перечисленные характеристики для трех групп конструкционных материалов. Первые днев металлы и полимеры. Третью группу образуют неорганические и неметаллические вещества, для обобщения часто называемые керамикой. С последней их роднит минеральное происхождение и высокая температура обработки. В последнем столбце таблицы приведена относительная жесткость веществ.
Это — отношение модуля упругости к удельному весу. Для наглядности удельная жесткость каждого вещества отнесена к удельной жесткости железа. Относительная жесткость металлов, как видим, изменяется в достаточно узком интервале. Исключение составляет ниобий.
Он имеет очень низкую удельную жесткость. В обратную сторону резко выделяется бериллий, и к нему в последнее время приковано серьезное внимание в авиационной и ракетно-космической технике. Есть надежда, что прочность нитей бериллия можно будет поднять переводом в аморфное состояние. И все было бы хорошо, но беда заключается в токсичности бериллия, и зто заставляет принимать специальные меры безопасности в цехах обработки. Пока неизвестно, что возьмет верх — преимущества или недостатки. Полимеры делятся на две подгруппы: аморфные полимеры — эпоксидные смолы и оргстекло и не столь широко известные кристаллические полимеры. Первые используются в качестве связующего. Кристаллические же полимеры имеют высокую удельную жесткость и прочность и позволяют создавать на их базе специальное органоволокно.
И, наконец, третья группа веществ — не органика, не металлы. Группа, призванная сыграть роль конструкционных материалов только в связи с появлением и развитием композитов. Высокая удельная жесткость, жаростойкость, неокисляемость оксидов (им больше некуда окисляться), твердость и дешевизна дают право надеяться на их широкое применение в недалеком будущем. Громкие названия «сапфир», «гранат> не должны тревожить наше воображение. Это — очень распространенные на Земле минералы, не- дефицитные и дешевые. Что же касается бороволокна и углеволокна, то они уже давно внедрены в практику.
Теперь естественным будет вопрос, какие же пары (или тройки) перечисленных веществ следует объединять в композиты, Вопрос резонный, а главное, естественно вытекаю- 11 В. Н. Феохвевев зак ГЛ. 8. КРИТЕРИИ ПЛАСТИЧНОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ щий из исторически сложившихся представлений о производственном процессе. Но ответить на него непросто. Композит — это не совсем материал. Это — часть конструкции, выполняющая функции материала и отвечающая на вопрос: «Из чего сделано?» Композит заставляет пересмотреть наше отношение не только к веществам, но и к производственному процессу в целом. Из названных в табл.
10 веществ не представляет особого труда изготовить множество самых разнообразных образцов композитов — прутков, плоских монослоев или трубок. Можно, например, сделать образец молибдена с сапфировыми нитями, хотя молибден и более тугоплавок, чем сапфир. Такие образцы можно испытывать, можно определять их модули и предел прочности. Существует специальная литература по вопросам испытания композитных образцов. Имеется большая литература, где даются как приближенные, так и уточненные способы расчетного определения прочности и жесткости композитов по характеристикам составляющих.
Но в том-то и дело, что создать образцы композита и изготовить из композита деталь машины — далеко не одно и то же. Композит не изготовляется заранее. Он готовится вместе с деталью и, образуясь сам, образует деталь. И на поставленный вопрос, какие же комбинации из упомянутых веществ следует предпочесть, ответ может быть только один: такие, которые позволяют изготовить эту деталь и к тому же могут обеспечить ее высокое качество. Вопрос слишком общий, чтобы можно было дать на него определенный ответ. Все зависит от способа изготовления, если он существует, от особенностей детали, от условий производства. Композиты открывают перед инженером окно в новый мир, где нельзя быть только материаловедом или только механиком.
Для композитов нужна и композитность знаний — широкий кругозор механика, материаловеда, физика и технолога. ГЛАВА 9 тонкостенные и толстостенные сосуды 5 64. Основные особенности оболочек Большинство элементов инженерных сооружений, под, лежащих расчету иа прочность, может быть сведено к расчетным схемам либо стержня, либо оболочки. Под стержнем, как уже указывалось ранее, понимается всякое тело, одно из измерений которого (длина) значительно больше двух других.
До сих пор в основном рассматривались элементы конструкций, сводящиеся к этой схеме. Перейдем теперь к оболочкам. Под оболочкой понимается тело, одно нз измерений которого (толщина) значительно меньше двух других. Геометрическое место точек, равноотстоящих от обеих поверхностей оболочки, носит название срединной ноеерхности. Если срединная поверхность образует часть сферы, конуса или цилиндра, оболочку соответственно называют сферической, конической или цилиндрической. Геометрия оболочки определяется не только формой срединной поверхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
