Opori-osveshenia.ru

Опоры освещения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Новая методика вычисления точно определит предел кратковременной прочности для различных материалов

Новая методика вычисления точно определит предел кратковременной прочности для различных материалов

Ученые из Научно-исследовательского института механики МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами разработали методику, с помощью которой возможно определить предел деформации материала под постоянной нагрузкой при заданной температуре. Об этом говорят результаты экспериментальных данных длительной прочности при одноосном растяжении — деформации, возникающей в трубчатых образцах, подверженных равномерному растяжению. Статья опубликована в журнале Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures.

Все твердые тела под воздействием постоянной механической нагрузки со временем деформируются. Это свойство называют ползучестью материалов. Все известные материалы подвержены деформации под нагрузками, в том числе бетон, кирпич, древесина и грунт. Ползучесть разных материалов зависит от свойств самих материалов, а также от температуры. Деформацию цветных металлов, таких как медь и свинец, можно наблюдать даже при комнатной температуре.

Ползучесть материалов обязательно учитывают при проектировании и эксплуатации различных конструкций. Чтобы оценить прочность материала при ползучести, специалисты обычно используют такое понятие как предел ползучести и предел прочности. Предел ползучести отражает максимальное напряжение, при котором скорость деформации ползучести или ее полная величина не превышают заданных величин. Механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала, называется пределом прочности. С помощь испытаний на растяжение, когда деформацию проводят до разрушения, определяют предел кратковременной прочности. Пределом длительной прочности называют напряжение, при котором материал разрушается через заданный промежуток времени.

Чтобы изучить ползучесть материала, исследователи подготавливают тонкостенные трубчатые образцы и затем оказывают на них постоянную нагрузку: при таком воздействии материал переходит в напряженное состояние. Чаще всего исследуют три напряженных состояния материала: одноосное растяжение, сжатие и чистый сдвиг. Правила проведения таких экспериментов определены ГОСТом. Ученые МГУ разработали альтернативную методику, с помощью которой можно определить пределы ползучести и кратковременной прочности.

«В качестве замены времени в момент разрушения использована дробно–степенная зависимость с четырьмя материальными параметрами, два из которых имеют физический смысл пределов ползучести. Материальные параметры исследуемых материалов вычислены из условия минимума суммарного расхождения заменяющих значений относительно соответствующих опытных данных», — рассказал один из авторов статьи, научный сотрудник Лаборатории ползучести и длительной прочности НИИ механики МГУ, кандидат технических наук Владлен Назаров.

В работе использована статистическая обработка известных опытных данных, полученных при одноосном растяжении цилиндрических (трубчатых) образцов, по длительной прочности различных металлических материалов, для которых вычислены предельные механические характеристики процесса ползучести. Расчетные параметры получены для аппроксимаций и вычислены итерационным методом последовательных приближений. Анализ полученных погрешностей показывает, что аппроксимация опытных данных наилучшим образом достигается дробно-степенной зависимостью.

«Предложенная методика позволяет более точно определить предел кратковременной прочности при вязком характере разрушения», — заключил ученый.

Работа выполнена в сотрудничестве с ученым из Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова при финансовой поддержке РФФИ.

Предел текучести стали

Разные материалы по-разному реагируют на приложенную к ним внешнюю силу, вызывающую изменение их формы и линейных размеров. Такое изменение называют пластической деформация. Если тело после прекращения воздействия самостоятельно восстанавливает первоначальную форму и линейные размеры — такая деформация называется упругой. Упругость, вязкость, прочность и твердость являются основными механическими характеристиками твердых и аморфных тел и обуславливают изменения, происходящие с физическим телом при деформации под действием внешнего усилия и ее предельном случае — разрушении. Предел текучести материала — это значение напряжения (или силы на единицу площади сечения), при котором начинается пластическая деформация.

Читайте так же:
Как правильно работать стамеской по дереву

Поведение сталей при высоких температурах

Текучесть металла

Знание механических свойств материала чрезвычайно важно для конструктора, который использует их в своей работе. Он определяет максимальную нагрузку на ту или иную деталь или конструкцию в целом, при превышении которой начнется пластическая деформация, и конструкция потеряет с вою прочность, форму и может быть разрушена. Разрушение или серьезная деформация строительных конструкций или элементов транспортных систем может привести к масштабным разрушениям, материальным потерям и даже к человеческим жертвам.

Предел текучести — это максимальная нагрузка, которую можно приложить к конструкции без ее деформации и последующего разрушения. Чем выше его значения, тем большие нагрузки конструкция сможет выдержать.

Текучесть металла

На практике предел текучести металла определяет работоспособность самого материала и изделий, изготовленных из него, под предельными нагрузками. Люди всегда прогнозировали предельные нагрузки, которые могут выдержать возводимые ими строения или создаваемые механизмы. На ранних этапах развития индустрии это определялось опытным путем, и лишь в XIX веке было положено начало созданию теории сопротивления материалов. Вопрос надежности решался созданием многократного запаса по прочности, что вело к утяжелению и удорожанию конструкций. Сегодня необязательно создавать макет изделия определенного масштаба или в натуральную величину и проводить на нем опыты по разрушению под нагрузкой — компьютерные программы семейства CAE (инженерных расчетов) могут с точностью рассчитать прочностные параметры готового изделия и предсказать предельные значения нагрузок.

Величина предела текучести материала

С развитием атомной физики в XX веке появилась возможность рассчитать значение параметра теоретическим путем. Эту работы первым проделал Яков Френкель в 1924 году. Исходя из прочности межатомных связей, он путем сложных для того времени вычислений определил величину напряжения, достаточного для начала пластической деформации тел простой формы. Величина предела текучести материала будет равна

ττ=G/2π. , где G — модуль сдвига, как раз и определяющий устойчивость связей между атомами.

Расчет величины предела текучести

Гениальное допущение, сделанное Френкелем при расчетах, заключалось в том, что процесс изменения формы материала рассматривался как приводимый в действие напряжениями сдвига. Для начала пластической деформации полагалось достаточным, чтобы одна половина тела сдвинулась относительно другой до такой степени, чтобы не смогла вернуться в начальное положение под действием сил упругости.

График физического предела текучести

График физического предела текучести

Френкель предположил, что испытываемый в мысленном эксперименте материал имеет кристаллическое или поликристаллическое строение, свойственно для большей части металлов, керамики и многих полимеров. Такое строение предполагает наличие пространственной решетки, в узлах которой в строго определенном порядке расположены атомы. Конфигурация этой решетки строго индивидуальны для каждого вещества, индивидуальны и межатомные расстояния и связывающие эти атомы силы. Таким образом, чтобы вызвать пластическую деформацию сдвига, потребуется разорвать все межатомные связи, проходящие через условную плоскость, разделяющую половины тела.

При некотором значении напряжения, равному пределу текучести, связи между атомами из разных половин тела разорвутся, и рады атомов сместятся друг относительно друга на одно межатомное расстояние без возможности вернуться в исходное положение. При продолжении воздействия такой микросдвиг будет продолжаться, пока все атомы одной половины тела не потеряют контакт с атомами другой половины

Читайте так же:
Как пользоваться клеем пистолетом инструкция

В макромире это вызовет пластическую деформацию, изменит форму тела и при продолжении воздействия приведет к его разрушению. На практике линия начала разрушений проходит не посередине физического тела, а находится в местах расположения неоднородностей материала.

Физический предел текучести

В теории прочности для каждого материала существует несколько значений этой важной характеристики. Физический предел текучести соответствует значению напряжения, при котором, не смотря на деформацию, удельная нагрузка не меняется вовсе или меняется несущественно. Иными словами, это значение напряжения, при котором физическое тело деформируется, «течет», без увеличения прилагаемого к образцу усилия

Условный предел текучести

Большое число металлов и сплавов при испытаниях на разрыв демонстрируют диаграмму текучести с отсутствующей или слабо выраженной «площадкой текучести». Для таких материалов говорят о условном пределе текучести. Его трактуют как напряжение, при котором происходит деформация в переделах 0,2%.

Условный предел текучести

Условный предел текучести

К таким материалам относятся легированные и высокоуглеродистые стальные сплавы, бронза, дюралюминий и многие другие. Чем более пластичным является материал, тем выше для него показатель остаточных деформаций. Примером пластичных материалов могут служить медь, латунь, чистый алюминий и большинство низкоуглеродистых стальных сплавов.

Предел текучести стали

Сталь, как самый популярный массовый конструкционный материал, находится под особо пристальным вниманием специалистов по расчету прочности конструкций и предельно допустимых нагрузок на них.

Стальные сооружения в ходе их эксплуатации подвергаются большим по величине и сложным по форме комбинированным нагрузкам на растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг. Нагрузки могут быть динамическими, статическими и периодическими. Несмотря на сложнейшие условия использования, конструктор должен обеспечить у проектируемых им конструкций и механизмов долговечность, безотказность и высокую степень безопасности как для персонала, таки для окружающего населения.

Предел текучести стали

Предел текучести стали

Поэтому к стали и предъявляются повышенные требования по механическим свойствам. С точки зрения экономической эффективности, предприятие стремится снизить сечение и другие размеры производимой им продукции, чтобы снизить материалоемкость и вес и повысить, таким образом, эксплуатационные характеристики. На практике это требование должно быть сбалансировано с требования ми по безопасности и надежности, зафиксированными в стандартах и технических условиях.

Предел текучести для стали является ключевым параметрам в этих расчетах, поскольку он характеризует способность конструкции выдерживать напряжения без необратимых деформаций и разрушения.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

Согласно физико-химическому принципу аддитивности, изменение физических свойств материалов определяется процентным содержанием углерода. Повышение его доли до 1,2% дает возможности увеличить прочность, твердость, предел текучести и пороговую хладоемкость сплава. Дальнейшее повышение доли углерода приводит к заметному снижению таких технических показателей, как способность к свариваемости и предельная деформация при штамповочных работах. Стали с низким содержанием углерода демонстрируют наилучшую свариваемость.

Азот и кислород в сплаве

Эти неметаллы из начала таблицы Менделеева являются вредными примесями и снижают механические и физические характеристики стали, такие, например, как порог вязкости, пластичность и хрупкость. Если кислород содержится в количестве свыше 0,03%- это ведет к ускорению старения сплава, а азот увеличивает ломкость материала. С другой стороны, содержание азота повышает прочность, снижая предел текучести.

Читайте так же:
Как пользоваться рейкой для нивелира

Микроструктура сплава, в составе которого присутствуют азот и кислород

Микроструктура сплава, в составе которого присутствуют азот и кислород

Добавки марганца и кремния

Легирующая добавка в виде марганца применяется для раскисления сплава и компенсации отрицательного влияния вредных серосодержащих примесей. Ввиду своей близости по свойствам к железу существенного самостоятельного влияния на свойства сплава марганец не оказывает. Типовое содержание марганца – около 0,8%.

Кремний оказывает похожее воздействие, его добавляют в процессе раскисления в объемной доле, не превышающей 0,4%. Поскольку кремний существенно ухудшает такой технический показатель, как свариваемость стали. Для конструкционных сталей, предназначенных для соединения сваркой, его доля не должна превышать 0,25%. На свойства стальных сплавов кремний влияния не оказывает.

Примеси серы и фосфора

Сера является исключительно вредной примесью и отрицательно воздействует на многие физические свойства и технические характеристики.

Предельно допустимое содержание этого элемента в виде хрупких сульфитов– 0,06%

Сера ухудшает пластичность, предел текучести, ударную вязкость, износостойкость и коррозионную стойкость материалов.

Фосфор оказывает двоякое воздействие на физико-механические свойства сталей. С одной стороны, с повышением его содержания повышается предел текучести, однако с другой стороны, одновременно понижаются вязкость и текучесть. Обычно содержание фосфора находится в пределах от 0,025 до 0,044%. Особенно сильное отрицательное влияние фосфор оказывает при одновременном повышении объемных долей углерода.

Легирующие добавки в составе сплавов

Легирующими добавками называют вещества, намеренно введенные в состав сплав для целенаправленного изменения его свойств до нужных показателей. Такие сплавы называют легированными сталями. Лучших показателей можно добиться, добавляя одновременно несколько присадок в определенных пропорциях.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Распространенными присадками являются никель, ванадий, хром, молибден и другие. С помощью легирующих присадок улучшают значение предела текучести, прочности, вязкости, коррозионной стойкости и многих других физико-механических и химических параметров и свойств.

Текучесть расплава металла

Текучестью расплава металла называют его свойство полностью заполнять литейную форму, проникая в малейшие полости и детали рельефа. От этого зависит точность отливки и качество ее поверхности.

Жидкий металл для процессоров

Жидкий металл для процессоров

Свойство можно усилить, если поместить расплав под избыточное давление. Это физическое явление используется в установках литья под давлением. Такой метод позволяет существенно повысить производительность процесса литья, улучшить качество поверхности и однородность отливок.

Испытание образца для определения предела текучести

Чтобы провести стандартные испытания, используют цилиндрический образец диаметром 20 мм и высотой 10 мм, закрепляют его в испытательной установке и подвергают растягиванию. Расстояние между нанесенными на боковой поверхности образца метками называют расчетной длиной. В ходе измерений фиксируют зависимость относительного удлинения образца от величины растягивающего усилия.

Зависимость отображают в виде диаграммы условного растяжения. На первом этапе эксперимента рост силы вызывает пропорциональное увеличение длины образца. По достижении предела пропорциональности диаграмма из линейной превращается в криволинейную, теряется линейная зависимость между силой и удлинением. На этом участке диаграммы образец при снятии усилия еще может вернуться к исходным форме и габаритам.

Читайте так же:
Какую нагрузку выдерживает сип 2х16

Для большинства материалов значения предела пропорциональности и предела текучести настолько близки, что в практических применениях разницу между ними не учитывают.

ГОСТ 16483.3-84 Древесина. Метод определения предела прочности при статическим изгибе

Настоящий стандарт распространяется на древесину и устанавливает метод определения предела прочности при статическом изгибе.

Стандарт соответствует СТ СЭВ 390-76 и МС ИСО 3133-75 в части определения предела прочности при статическом изгибе на образцах, кондиционированных по влажности.

Сущность метода заключается в определении максимальной нагрузки при разрушении образца и вычислении напряжения при этой нагрузке.

Метод не распространяется на авиационную древесину.

1. ОТБОР ОБРАЗЦОВ

1.1. Образцы изготовляют в форме прямоугольной призмы с поперечным сечением 20 ´ 20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм. Допускается определять предел прочности при статическом изгибе на образцах после определения модуля упругости.

1.2. Количество, изготовление и влажность образцов — по ГОСТ 16483.0-78.

Допускается проводить испытания на образцах, не подвергавшихся кондиционированию и имеющих влажность меньше предела насыщения клеточных стенок и отличающуюся от нормализованной.

Минимальное количество образцов может быть принято равным 36.

2. АППАРАТУРА

2.1. Для проведения испытания применяется следующая аппаратура:

машина испытательная по ГОСТ 7855-74, обеспечивающая заданную скорость нагружения образца или перемещения нагружающей головки и позволяющая измерять нагрузку с погрешностью не более 1 %;

приспособление, обеспечивающее изгиб образца приложением нагрузки к его боковой поверхности в середине расстояния между центрами опор. Радиус закругления опор и нагружающего ножа должен быть 30 мм;

штангенциркуль по ГОСТ 166-80, с погрешностью измерения не более 0,1 мм;

аппаратура для определения влажности по ГОСТ 164837-71.

3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ

3.1. На середине длины образца измеряют ширину b и высоту h с погрешностью не более 0,1 мм.

4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

4.1. Образец помещают в машину так, чтобы изгибающее усилие было направлено по касательной к годичным слоям (изгиб тангентальный) и нагружают по схеме, показанной на чертеже.

4.2. Образец нагружают равномерно с постоянной скоростью нагружения или постоянной скоростью перемещения активного захвата машины. Скорость должна быть такой, чтобы образец разрушился через (1,5±0,5) мин после начала нагружения.

При использовании машины с электромеханическим приводом допускается проводить нагружение образца равномерно со скоростью (1350±150) Н/мин или проводить испытания при скорости перемещения нагружающей головки испытательной машины 4 мм/мин.

Испытание продолжают до разрушения образца, определяя максимальное показание стрелки силоизмерителя. Максимальную нагрузку Рmах определяют с погрешностью не более 1 %.

4.3. После испытания определяют влажность образцов по ГОСТ 16483.7-71.

В качестве пробы на влажность берут часть образца длиной (25±5) мм, вырезаемую вблизи излома. Для определения средней влажности партии образцов допускается испытать часть образцов. Минимальное количество испытываемых на влажность образцов должно соответствовать требованиям ГОСТ 16483.0-78.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1. Предел прочности ( s W ) в мегапаскалях образца с влажностью в момент испытания вычисляют по формуле

где Р m ах — максимальная нагрузка, H;

l — расстояние между центрами опор, мм;

h — высота образца, мм;

b ширина образца, мм.

Результат вычисляют и округляют до 1 МПа.

5.2. Предел прочности образца с нормализованной влажностью при необходимости пересчитывают на влажность 12 % по формуле

Читайте так же:
Как называется пистолет для гвоздей

где a — поправочный коэффициент на влажность, равный 0,04 для всех пород;

W влажность образца в момент испытания, %.

5.3. Предел прочности образца с влажностью, отличающейся от нормализованной, пересчитывают на влажность 12 % по формуле

где коэффициент пересчета, определяемый по таблице при известной плотности древесины. Если определение плотности не производилось, допускается принимать коэффициент пересчета равным средней величине для исследуемой породы по таблице справочного приложения 2 .

Предел прочности и предел текучести

Диаграмма зависимости напряжения от деформации показана на рис. 1. По этой диаграмме можно получить основные параметры прочности материала на растяжение.

– Модуль Юнга E равен наклону начального участка диаграммы. Он также равен наклону прямой, вдоль которой происходит упругое восстановление из любой точки диаграммы.

– Точка, в которой происходит отклонение характеристики от прямой, соответствует пределу упругости, который также часто называют пределом пластической деформации . Восстановление по прямой с наклоном E из любой точки характеристики, в которой напряжение или деформация больше, чем в этой, больше не приведет к возвращению в исходную точку, т. е. будет иметь место пластическая деформация.

– Наклон характеристики после начала пластической деформации — это мера деформационного упрочнения материала , т. е. упругое восстановление происходит по прямой, наклон E, и изменение материала при повторном нагружении также происходит по одной и той же линии, так что дальнейшая пластическая деформация начинается только при превышении предыдущего значения максимального напряжения.

– Точка, в которой происходит полное разрушение материала, соответствует двум рассматриваемым параметрам, один из которых — предел прочности ; а другая — деформация разрыва .

Эти параметры составляют основные характеристики материала для проектирования любых конструкций и функций. Можно видеть, что диаграмма «напряжение-деформация» является основной отличительной характеристикой типа материалов. Упругий, а затем совершенно пластичный материал будет упруго деформироваться до предела пластической деформации, а затем продолжит деформироваться при постоянном напряжении, пока не произойдет его разрушение в точке предела прочности (точке разрушения). Поэтому предел пластической деформации также является пределом прочности. У совершенно упругого хрупкого материала нет предела упругости, он изменяется по прямой (наклон которой равен модулю Юнга) вплоть до разрушения с разрывом. Деформационно-упрочняемый материал деформируется, но способен выдерживать растущие напряжения вплоть до своего предела прочности и до максимального напряжения в точке разрушения.

В течение многих лет механические свойства материалов определялись классическими методами испытаний в основе которых лежит принцип внешнего воздействия на исследуемый образец и доведение его до частичного или полного разрушения. Конкретный метод улучшался и развивался с течением времени, но общий принцип не изменяется столетиями. Классические испытания на растяжение — это традиционно выбираемый разрушающий метод определения предела пластической деформации и соответствующего ей участка диаграммы «напряжение-деформация». Однако все разрушающие методы имеют ряд существенных недостатков. Основным, из которых является то, что испытание является разрушающим, а усреднение вносит погрешности из-за неоднородности свойств по объему конструкции, следовательно, отсутствует возможность применения данного метода на действующих объектах, натурных конструкциях и деталях.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector