Влияние скорости нагружения на механические характеристики материалов

При оценке механических свойств при высоких скоростях нагружения отличают изменение параметров материала, обусловливаемых его структурой, от особенностей поведения материала при высоких скоростях нагружения, зависящих от условий деформации и разрушения (напряженное состояние, величина деформируемого объема и др.). Различают скорости нагружения, при которых влияние их на механические свойства исчерпываются: 1) изменением со скоростью протекания физических процессов, составляющих пластическую деформацию, и, как следствие, изменением сопротивления деформации; 2) включением в сопротивление деформации инерционной составляющей.

Упругая и пластическая деформации представляют собой перемещение инертных масс. При скоростях деформации, типичных для стандартных испытаний, усилия, необходимые для сообщения ускорений перемещаемым при деформации массам образца, пренебрежимо малы. При высоких скоростях они возрастают и могут превысить сопротивление прочных связей материала. При скоростях деформации, возникающих, направлено, при действии на металлическую преграду метеорных частиц, пренебрежимо малыми становятся прочные связи, сопротивление деформации практически исчерпывается инерционной составляющей 3) возникновением упругих и упругопластических волн. Деформация, разрушение и их особенности в данном случае определяются в основном не изменением со скоростью механических свойств, как параметров материала, а характером прохождения и интерференции упругих и упругопластичных волн.

При повышенных температурах наблюдается значительно большее влияние скорости на сопротивление деформации, чем при 20°. Это объясняется более интенсивным процессом упрочнения и разупрочнения при повышении температуры.

Определение допускаемых напряжений для пластичных и хрупких материалов. Понятие о методе расчёта конструкций по допускаемым напряжениям

Методы расчета конструкций выбираются в зависимости от условий работы конструкций и требований, которые к ней предъ­являются. Так, наиболее распространенным методом расчета деталей машин на прочность является расчет по допускаемым на­пряжениям. В основу этого метода положено предположение, что определяющим параметром надежности конструкции является напряжение или, точнее говоря, напряженное состояние в точке. Расчет выполняется в следующем порядке.

На основании анализа напряженного состояния конструкции выявляется та точка сооружения, где возникают наибольшие расчетные (рабочие) на­пряжения . Расчетная величина напряжений сопоставляется с пре­дельно допустимой величиной напряжений  для данного материала, полученной на основе предварительных лабораторных испытаний. Чтобы не нарушилась прочность элемента, рабочие напряжения в любой его точке должны быть меньше предельных. Для особо ответственных конструкций, для которых требуется не допускать возникновения пластических деформаций, за величину   принимается . В тех случаях, когда допустимо возникновение пластических деформаций, как правило, принимается . Для хрупких материалов, а в неко­торых случаях и умеренно пластических материалов, принимается . Для надежной работы элемента нельзя допустить, чтобы рабочие (расчетные) напряжения в наиболее напряженной точке были близки к предельным, нужно обеспечить запас прочности.

Отношение предельного напряжения для материала, из которого изготовлен элемент конструкции, к максимальному рабочему напряжению называют коэффициентом запаса прочности , гарантирующий надежную работу элемента конструкции в течение требуемого срока службы:

.                                           ;

Выбор коэффициента запаса прочности – один из основных и наиболее ответственных этапов расчета на прочность. При заниженном коэффициенте запаса прочности снижается надежность работы детали, повышается опасность ее разрушения при эксплуатации. При завышении запаса прочности увеличивается масса и стоимость детали.

При назначении коэффициента запаса прочности учитывают, насколько точно можно для проектируемой детали определить рабочее и предельное напряжения. Рабочие напряжения нельзя определить абсолютно точно, так как фактические, действующие на элемент конструкции нагрузки могут существенно отличаться от используемых в расчете. В процессе эксплуатации конструкции возможно кратковременное увеличение нагрузок (перегрузки), часто нагрузки непрерывно изменяются или носят случайный характер (например, нагрузки на крыло летящего самолета). Формулы сопротивления материалов основаны на определенных допущениях, упрощающих расчеты, и, следовательно, не обеспечивают высокой точности. В деталях сложной формы напряжения, как правило, можно определить только приближенно. Предельные напряжения, характеризующие прочность материала, также нельзя определить абсолютно точно вследствие непостоянства химического состава сплавов в различных плавках, отклонений в режимах технологического процесса изготовления материалов, погрешностей при испытании образцов. При расчете элемента конструкции необходимо учитывать возможные последствия его разрушения. Так как все факторы, влияющие на прочность элемента конструкции, учесть точно в расчете невозможно, в расчет вводят требуемый (допускаемый) коэффициент запаса прочности [n] , гарантирующий надежную работу элемента конструкции в течение требуемого срока службы (таблица)

                                                                                                                                    

Вид материала	Характер нагрузки	Коэффициент запаса прочности
Пластичный	Статическая	2,4-2,6
	Ударная	2,8-5,0
	Повторно-переменная	5,0-15,0
Хрупкий	Статическая	3,0-9,0

  Ориентировочные значения допускаемого коэффициента запаса прочности

Часто этот коэффициент представляют в виде произведения частных коэффициентов запаса [n] = n1 n2 n3 ... , каждый из которых учитывает влияние на прочность элемента конструкции какого-либо одного или нескольких факторов.

В каждой отрасли машиностроения существуют нормы на допускаемые запасы прочности, основанные на большом опыте расчета деталей и их эксплуатации. Определяемые по нормам коэффициенты запасы прочности называют нормативными. Прочность элемента конструкции считают обеспеченной, если расчетный коэффициент запаса не меньше допускаемого:

Это равенство называют условием прочности.   

Если установлен допускаемый коэффициент запаса прочности и для выбранного материала известно предельное напряжение, определяют максимальное напряжение, которое можно допустить для надежной работы элемента конструкции. Такое напряжение называют допускаемым: 

Часто величина допускаемого напряжения берется из таблиц, составленных на основе действующих норм. В практических расчетах  считают, что прочность элемента конструкции обеспечена, если возникающие в нем максимальные напряжения не превышают допускаемых. Условие прочности имеет вид

Если материал имеет различные предельные напряжения при растяжении и сжатии, то допускаемое напряжение обозначают соответственно  и и .Чтобы уточнить, какое напряжение принято в качестве предельного (предел текучести или прочности ), иногда в обозначения расчетных и допускаемых коэффициентов запаса прочности вводят соответствующие индексы: ; ; ; .   Указанный метод является не единственным. Например, на практике в некоторых случаях используется метод расчета конст­рукций по разрушающим нагрузкам. В этом методе путем расчета определяется предельная нагрузка, которую может выдержать кон­струкция, не разрушаясь и не изменяя существенно свою форму. Предельная (разрушающая) нагрузка сопоставляется с проектной нагрузкой, и на этом основании делается вывод о несущей способ­ности конструкции в эксплуатационных условиях.

Условие прочности можно представить в виде

     

где n - коэффициент запаса прочности, принимаемый таким же, как и в методе допускаемых напряжений.

Определение модули упругости Юнга ,коэффициента поперечной деформаций Пуассона ,ударной вязкости и твердости материалов

Для небольших упругих деформаций имеет место закон Гука: величина упругой деформации DL прямо пропорциональна деформирующей силе

ΔL = kf, (1)

где k – постоянная величина для конкретного тела (проволоки).

Если изменить толщину проволоки, то величина коэффициента изменится. Поэтому предпочтительно его заменить другим коэффициентом, который был бы постоянным для материала, из которого изготовлено тело (проволока). Таким коэффициентом является коэффициент упругости a, который соответствует коэффициенту k, пересчитанному на единицу длины и на единицу площади сечения тела (проволоки):

α = ks/L , (2)

Физическая сущность коэффициента упругости состоит в том, что он численно равен относительному удлинению стержня под действием растягивающего напряжения, равного единице.

_{Подставив в уравнение (1) значение R из уравнения (2) получим:}

ΔL= αLf /s или ΔL/L=αP/s,

откуда α =ΔL/L×s/P.

Обозначим ΔL/L= ε, P/s= σ.

Закон Гука можно записать в виде ε= α σ.

На практике используется величина, обратная коэффициенту упругости – модуль упругости. Для случая продольной деформации (линейного растяжения) модуль

упругости обозначается буквой Е (модуль Юнга).

Модуль Юнга равен Е=1/ α.

Физическая сущность модуля упругости состоит в том, что он численно равен растягивающему напряжению, при котором относительное удлинение равно единице. Модуль Юнга – физическая величина, численно равная напряжению, при котором относительное удлинение равно единице, т.е. абсолютное удлинение равно первоначальной длине. Единицей измерения модуля Юнга является Н/м2.

Закон Гука через модуль Юнга запишется в виде: σ =Еε.

Отношение поперечной и продольной относительных деформаций в пределах закона Гука представляет для каждого из материалов постоянную величину m, которая и носит название коэффициента поперечной деформации или коэффициента Пуассона:

.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту.

Характеристикой вязкости является удельная работа разрушения:

,

F₀ - площадь поперечного сечения в месте надреза.

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 вдавливании в него постороннего тела возникают местные пластические деформации ,сопровождающиеся при дальнейшем увеличении сил местным разрушением .Поэтому показатель твердости связан с показателями прочности и зависит от конкретных условий ведения испытания .

Понятие о концентрации напряжений

Концентрацией напряжений называется увеличение напряжений в малых областях, примыкающих к местам с резким изменением формы поверхности тела, размеров его сечения или с локализованной неоднородностью материала внутри тела. Реальные конструкции всегда имеют зоны, в которых проявляется локальная концентрация напряжений. Конструкционные особенности деталей, вызывающие

концентрацию напряжений, принято называть концентраторами напряжений.

Явление концентрации напряжений объясняется тем, что в сплошном теле усилия передаются по возможно более короткому пути, что обеспечивает минимум внутренней энергии тела при данном нагружении. В результате материал, прилегающий к ослабленному месту, воспринимает дополнительные усилия, передающиеся с материала, окружающего отверстие или вырез. Концентраторы напряжений можно разделить на локальные и размытые. К локальным будем относить те, в которых объем области, занятой материалом с повышенными напряжениями, пренебрежимо мал по сравнению со всем объемом нагруженного тела. В случае размытых концентраторов напряжений объем, занятый материалом с повышенными напряжениями, составляет значительную часть всего объема нагруженного тела.

Теоретический коэффициент напряжений может достигать значения К_Т = 3 и более; он зависит от формы и размеров вытогки, прорезы, уступа и т.п.