При анализе диаграмм растяжения и сжатия явлением гистерезиса пренебрегают.

2.3. Допускаемые напряжения

Детали машин и других конструкций должны удовлетворять условиям прочности и жесткости, т.е. под действием приложенных нагрузок они не должны разрушаться и получать недопустимые деформации. В большинстве машиностроительных конструкций не допускаются, как правило, остаточные деформации.

В пластичных материалах при σ>σТ возникают значительные остаточные деформации; в хрупких материалах остаточные деформации обычно незначительны, а при σ>σВ происходит разрушение. Таким образом, для деталей, изготовленных из пластичного материала, опасным напряжением можно считать предел текучести σт или σ0,2, а для деталей из хрупкого материала

– временное сопротивление (предел прочности) σв.

Естественно, что эти напряжения не могут быть приняты в качестве допускаемых. Их следует уменьшить настолько, чтобы в эксплуатационных условиях действующие напряжения всегда были меньше предела упругости. Таким образом, допускаемое напряжение может быть определено по формуле:

[σ ]= σ о ,

n

где σ о – опасное напряжение (σт или σв); n – коэффициент запаса прочности, показывающий, во сколько раз допускаемое напряжение меньше опасного.

Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов, из которых основными являются:

-состояние материала (хрупкое или пластичное);

-характер приложения нагрузки (статическая, динамическая или повторно-переменная);

-неоднородность материала;

-неточность задания величин внешних нагрузок;

-приближенность расчетных схем и некоторая приближенность расчетных формул;

-долговечность и значимость конструкции.

Для пластичных материалов при статическом нагружении

где nт – коэффициент запаса по текучести. На основании длительной практики конструирования для сталей при статической нагрузке принимается nт = 1,4…1,6.

Для хрупких материалов при статических нагрузках

где nв – коэффициент запаса по пределу прочности. Принимают, что nв = 2,5…3,0.

Допускаемые напряжения [σ], получаемые по формулам (2.4) и (2.5), называют обычно основными допускаемыми напряжениями.

Иногда допускаемые напряжения на растяжение обозначают через [σ+] или [σ]р, а на сжатие

– через [σ–] или [σ]с. Хрупкие материалы обычно лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению, и для них [σ–]>[σ+]. Для сталей и большинства других пластичных материалов можно принять [σ+]=[σ-]и обозначать допускаемые напряжения в таком случае через [σ] без индекса.

32

От правильного выбора величины допускаемых напряжений зависит, с одной стороны, прочностная надежность проектируемой конструкции, а с другой – ее экономичность (количество затрачиваемого материала). Значения допускаемых напряжений и коэффициентов запаса устанавливаются для строительных конструкций – строительными нормами и правилами (СНиП), для машиностроительных – внутриотраслевыми заводскими нормами (ТУ).

2.4. Влияние скорости деформации, температуры и времени на механические характеристики

Нормальными условиями при проведении механических испытаний считаются температура

20°С и скорость деформации ddtε = (0,01…3) мин1 . Условия эксплуатации реальных

конструкций могут существенно отличаться от указанных. Влияние скорости деформации

При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при медленном – свойство пластичности. Так, при ударном воздействии возрастают характеристики прочности (причем предел текучести увеличивается в большей степени, чем предел прочности) и снижаются характеристики пластичности. Модуль Юнга практически не изменяется при изменении скорости деформации.

Для малоуглеродистой стали:

σ

2

1 – статическое нагружение;

1

2 – динамическое нагружение.

ε

Влияние температуры и времени

Повышение температуры приводит к снижению величины предела текучести σтр и модуля Юнга.

33

σвр

600 140

t, oC

При температуре более 250ºС у углеродистых сталей образуется окалина, происходит резкое снижение прочностных свойств, поэтому использовать углеродистые стали при температуре выше 250ºС не рекомендуется. Легированные стали и цветные металлы при нагреве обнаруживают монотонное возрастание относительного остаточного удлинения и снижение пределов прочности и текучести на растяжение.

Способность материала противостоять изменению химического состава при высоких температурах называется жаростойкостью. Жаропрочностью называется способность сохранять прочностные качества при высоких температурах.

Если, кроме воздействия температуры, материал испытывает длительное силовое воздействие, то возникает явление, называемое ползучестью – рост пластической деформации во времени в условиях повышенной температуры при постоянном напряжении.

В условиях ползучести работают лопатки турбин, тепловыделяющие элементы атомных реакторов.

ε

T, час

С ростом напряжения скорость ползучести возрастает (σ1<σ2<σ3):

+σ2

+σ1

T, час

34

Ползучести сопутствует явление релаксации напряжений – снижение напряжения при постоянной деформации. Это явление особенно характерно для крепежных изделий.

σ

T, час

Полная деформация состоит из упругой и пластической составляющих:

ε = ε у + ε пл = const .

Рост пластической деформации в результате ползучести вызывает уменьшение упругой деформации, что, в соответствии с законом Гука, приводит к снижению напряжений.

Испытания на релаксацию напряжений проводят на релаксационных кольцах И.А. Одинга, представляющих собой кольца равного сопротивления изгибу. Данная схема позволяет дистанционно снимать изменения напряжения.

2.5. Основные типы схематизации диаграммы испытания

Используют в основном три типа схематизации диаграмм испытания:

идеально упругий материал

идеально упруго-пластичный материал (диаграмма Прандтля)

идеально упругий упрочняющийся материал

35