Конструкционная прочность материалов

Критерии конструкционной прочности

Критерии прочности материала выбираются в зависимости от условий его эксплуатации. В случае статических нагрузок критериями прочности материала являются предел текучести и временное сопротивление, которые характеризуют сопротивление пластической деформации. Так как для большинства деталей в процессе работы наличие пластической деформации недопустимо, в качестве расчетной характеристики несущей способности выступает предел текучести. А если во время эксплуатации деталь подвергается длительным циклическим нагрузкам, то критерием прочности является предел выносливости.

По значениям критериев прочности рассчитываются допустимые напряжения. Чем больше прочность материала, тем у него выше допустимые напряжения, и тем меньше размеры и масса детали. Увеличение прочности и рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций. Чтобы их ограничить материал должен обладать высоким модулем сдвига, который является критерием жесткости. В данном случае критерии жесткости определяют размеры деталей, которые должны сохранять точную формы и размеры.

Надежность материала представляет собой его способность сопротивляться разрушению. Чтобы предупредить хрупкое разрушение материалы должны обладать ударной вязкостью и достаточной пластичностью. Для оценки надежности материала может быть использован температурный порог хладноломкости, характеризующий воздействие уменьшения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Чем ниже эта температура, тем больше запас температуры сохранения материалом вязкости и меньше вероятность хрупкого разрушения. Долговечность материала представляет собой его способность обеспечивать работоспособность готового изделия в течении установленного времени, сопротивляясь постепенному разрушению, которое может быть обусловлено изнашиванием, усталостью, радиационным разбуханием, коррозией, ползучестью и т. п. Долговечность материала, в большинстве случаев, определяется износостойкостью или циклической долговечностью - сопротивление усталостным разрушениям. Если деталь эксплуатируется в условиях высокой температуры, то долговечность определяется скоростью ползучести, а ее ограничением является использование жаропрочных материалов. Если деталь эксплуатируется в условиях жидких электролитов или сухих газов, то долговечность зависит от сопротивления материала электрохимической или газовой коррозии. В таких условиях необходимы уровень работоспособности длительное время могут сохранять коррозионностойкие и жаропрочные материалы.

Одна из самых важных задач современной структурной инженерии - выбор материалов, способных работать в заданных условиях. Низкая эксплуатационная стойкость машин и оборудования является результатом неправильного выбора материалов. Основой выбора материала для создания оборудования являются их механические свойства, определяемые во время испытаний.

Требования к конструкционным материалам

Детали характеризуются разнообразием размеров, условий эксплуатации и форм. Они работают в условиях низких и высоких температур, при циклических, статических и ударных нагрузках, а также в контакте с различными средами. Перечисленные факторы определяются требования, которые предъявляются к конструкционным материалам. Данные требования делятся на:

1. Эксплуатационные.
2. Технологические.
3. Экономические.

Первостепенными требованиями являются эксплуатационные. Чтобы обеспечить необходимую работоспособность конкретных устройств и машин, материал должен обладать достаточной конструкционной прочностью. Условия работы определяются рабочей средой, которая может отрицательно влиять на механические свойства. Чтобы избежать такого воздействия помимо хороших механический свойств материал должен обладать требуемыми физико-химическими свойствами, такими как холодостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость.

Технологические требования касаются обеспечения простоты изготовления конструкций и деталей, а также обеспечения минимальной трудоемкости. Данные требования оценивают технологичность материала, которая определяется обрабатываемостью различными способами, способностью к литью, требуемой прокаливаемостью и отсутствием деформации. Основные экономические требования к конструкционным материалам следующие:

1. Доступность.
2. Невысокая стоимость.