Для определения допускаемых напряжений в машиностроении применяют следующие основные методы.
1. Дифференцированный запас прочности находят как произведение ряда частных коэффициентов, учитывающих надежность материала, степень ответственности детали, точность расчетных формул и действующие силы и другие факторы, определяющие условия работы деталей.
2. Табличный - допускаемые напряжения принимают по нормам, систематизированным в виде таблиц
(табл. 1 - 7). Этот метод менее точен, но наиболее прост и удобен для практического пользования при проектировочных и проверочных прочностных расчетах.

В работе конструкторских бюро и при расчетах деталей машин применяются как дифференцированный, так и. табличный методы, а также их комбинация. В табл. 4 - 6 приведены допускаемые напряжения для нетиповых литых деталей, на которые не разработаны специальные методы расчета и соответствующие им допускаемые напряжения. Типовые детали (например, зубчатые и червячные колеса, шкивы) следует рассчитывать по методикам, приводимым в соответствующем разделе справочника или специальной литературе.

Приведенные допускаемые напряжения предназначены для приближенных расчетов только на основные нагрузки. Для более точных расчетов с учетом дополнительных нагрузок (например, динамических) табличные значения следует увеличивать на 20 - 30 %.

Допускаемые напряжения даны без учета концентрации напряжений и размеров детали, вычислены для стальных гладких полированных образцов диаметром 6-12 мм и для необработанных круглых чугунных отливок диаметром 30 мм. При определении наибольших напряжений в рассчитываемой детали нужно номинальные напряжения σ ном и τ ном умножать на коэффициент концентрации k σ или k τ :

1. Допускаемые напряжения*
для углеродистых сталей обыкновенного качества в горячекатаном состоянии

Марка стали

Допускаемые напряжения **, МПа

при растяжении [σ p ]

при изгибе [σ из ]

при кручении [τ кр ]

при срезе [τ ср ]

при смятии [σ см ]

I

II

III

I

II

III

I

II

III

I

II

III

I

II

Ст2 Ст3 Ст4 Ст5 Ст6

115 125 140 165 195

80 90 95 115 140

60 70 75 90 110

140 150 170 200 230

100 110 120 140 170

80 85 95 110 135

85 95 105 125 145

65 65 75 80 105

50 50 60 70 80

70 75 85 100 115

50 50 65 65 85

40 40 50 55 65

175 190 210 250 290

120 135 145 175 210

* Горский А.И.. Иванов-Емин Е. Б.. Кареновский А. И. Определение допускаемых напряжений при расчетах на прочность. НИИмаш, М., 1974.
** Римскими цифрами обозначен вид нагрузки: I - статическая; II - переменная, действующая от нуля до максимума, от максимума до нуля (пульсирующая); III - знакопеременная (симметричная).

2. Механические свойства и допускаемые напряжения
углеродистых качественных конструкционных сталей

3. Механические свойства и допускаемые напряжения
легированных конструкционных сталей

4. Механические свойства и допускаемые напряжения
для отливок из углеродистых и легированных сталей

5. Механические свойства и допускаемые напряжения
для отливок из серого чугуна

6. Механические свойства и допускаемые напряжения
для отливок из ковкого чугуна

7. Допускаемые напряжения для пластмассовых деталей

Для пластичных (незакаленных) сталей при статических напряжениях (I вид нагрузки) коэффициент концентрации не учитывают. Для однородных сталей (σ в > 1300 МПа, а также в случае работы их при низких температурах) коэффициент концентрации, при наличии концентрации напряжения, вводят в расчет и при нагрузках I вида (k > 1). Для пластичных сталей при действии переменных нагрузок и при наличии концентрации напряжений эти напряжения необходимо учитывать.

Для чугунов в большинстве случаев коэффициент концентрации напряжений приближенно принимают равным единице при всех видах нагрузок (I - III). При расчетах на прочность для учета размеров детали приведенные табличные допускаемые напряжения для литых деталей следует умножать на коэффициент масштабного фактора, равный 1,4 ... 5.

Приближенные эмпирические зависимости пределов выносливости для случаев нагружения с симметричным циклом:

для углеродистых сталей:
- при изгибе, σ -1 = (0,40÷0,46)σ в ;
σ -1р = (0,65÷0,75)σ -1 ;
- при кручении, τ -1 = (0,55÷0,65)σ -1 ;

для легированных сталей:
- при изгибе, σ -1 = (0,45÷0,55)σ в ;
- при растяжении или сжатии, σ -1р = (0,70÷0,90)σ -1 ;
- при кручении, τ -1 = (0,50÷0,65)σ -1 ;

для стального литья:
- при изгибе, σ -1 = (0,35÷0,45)σ в ;
- при растяжении или сжатии, σ -1р = (0,65÷0,75)σ -1 ;
- при кручении, τ -1 = (0,55÷0,65)σ -1 .

Механические свойства и допускаемые напряжения антифрикционного чугуна:
- предел прочности при изгибе 250 ÷ 300 МПа,
- допускаемые напряжения при изгибе: 95 МПа для I; 70 МПа - II: 45 МПа - III, где I. II, III - обозначения видов нагрузки, см. табл. 1.

Ориентировочные допускаемые напряжения для цветных металлов на растяжение и сжатие. МПа:
- 30...110 - для меди;
- 60...130 - латуни;
- 50...110 - бронзы;
- 25...70 - алюминия;
- 70...140 - дюралюминия.

Предельным напряжением считают напряжение, при котором в материале возникает опасное состояние (разрушение или опасная деформация).

Для пластичных материалов предельным напряжением счита­ют предел текучести, т.к. возникающие пластические деформации не исчезают после снятия нагрузки:

Для хрупких материалов, где пластические деформации отсут­ствуют, а разрушение возникает по хрупкому типу (шейки не обра­зуется), за предельное напряжение принимают предел прочности:

Для пластично-хрупких материалов предельным напряжением считают напряжение, соответствующее максимальной деформации 0,2% (сто,2):

Допускаемое напряжение - максимальное напряжение, при ко­тором материал должен нормально работать.

Допускаемые напряжения получают по предельным с учетом запаса прочности:

где [σ] - допускаемое напряжение; s - коэффициент запаса прочно­сти; [s] - допускаемый коэффициент запаса прочности.

Примечание. В квадратных скобках принято обозначать допускаемое значение величины.

Допускаемый коэффициент запаса прочности зависит от каче­ства материала, условий работы детали, назначения детали, точно­сти обработки и расчета и т. д.

Он может колебаться от 1,25 для простых деталей до 12,5 для сложных деталей, работающих при переменных нагрузках в услови­ях ударов и вибраций.

Особенности поведения материалов при испытаниях на сжатие:

1. Пластичные материалы практически одинаково работают при растяжении и сжатии. Механические характеристики при растяже­нии и сжатии одинаковы.

2. Хрупкие материалы обычно обладают большей прочностью при сжатии, чем при растяжении: σ вр < σ вс.

Если допускаемое напряжение при растяжении и сжатии раз­лично, их обозначают [σ р ] (растяжение), [σ с ] (сжатие).

Расчеты на прочность при растяжении и сжатии

Расчеты на прочность ведутся по условиям прочности - нера­венствам, выполнение которых гарантирует прочность детали при данных условиях.

Для обеспечения прочности расчетное напряжение не должно превышать допускаемого напряжения:

Расчетное напряжение а зависит от нагрузки и размеров попе­речного сечения, допускаемое только от материала детали и усло­вий работы.

Существуют три вида расчета на прочность.

1. Проектировочный расчет - задана расчетная схема и на­грузки; материал или размеры детали подбираются:

Определение размеров поперечного сечения:

Подбор материала

по величине σ пред можно подобрать марку материала.

2. Проверочный расчет - известны нагрузки, материал, раз­меры детали; необходимо проверить, обеспечена ли прочность.

Проверяется неравенство

3. Определение нагрузочной способности (максимальной нагрузки):

Примеры решения задач

Прямой брус растянут силой 150 кН (рис. 22.6), материал - сталь σ т = 570 МПа, σ в = 720 МПа, запас прочности [s] = 1,5. Определить размеры поперечного сечения бруса.

Решение

1. Условие прочности:

2. Потребная площадь поперечного сече­ния определяется соотношением

3. Допускаемое напряжение для материала рассчитывается из заданных механических характеристик. Наличие предела текучести означает, что материал - пластичный.

4. Определяем величину потребной площади поперечного сече­ния бруса и подбираем размеры для двух случаев.

Сечение - круг, определяем диаметр.

Полученную величину округляем в большую сторону d = 25 мм, А = 4,91 см 2 .

Сечение - равнополочный уголок № 5 по ГОСТ 8509-86.

Ближайшая площадь поперечного сечения уголка - А = 4,29 см 2 (d = 5 мм). 4,91 > 4,29 (Приложение 1).

Контрольные вопросы и задания

1. Какое явление называют текучестью?

2. Что такое «шейка», в какой точке диаграммы растяжения она образуется?

3. Почему полученные при испытаниях механические характе­ристики носят условный характер?

4. Перечислите характеристики прочности.

5. Перечислите характеристики пластичности.

6. В чем разница между диаграммой растяжения, вычерченной автоматически, и приведенной диаграммой растяжения?

7. Какая из механических характеристик выбирается в качестве предельного напряжения для пластичных и хрупких материалов?

8. В чем различие между предельным и допускаемым напряже­ниями?

9. Запишите условие прочности при растяжении и сжатии. Отли­чаются ли условия прочности при расчете на растяжение и расчете на сжатие?

Ответьте на вопросы тестового задания.

Позволяют определить предельные напряжения (), при которых материал образца непосредственно разрушается или в нем возникают большие пластические деформации.

Предельное напряжение в расчетах на прочность

В качестве предельного напряжения в расчетах на прочность принимается:

предел текучести для пластичного материала (считается, что разрушение пластичного материала начинается при появлении в нем заметных пластических деформаций)

,

предел прочности для хрупкого материала, значение которого при различно:

Для обеспечения реальной детали необходимо так выбрать ее размеры и материал, чтобы возникающее в некоторой ее точке при эксплуатации наибольшее было меньше предельного:

Однако даже если наибольшее расчетное напряжение в детали будет близко к предельному напряжению, гарантировать ее прочность еще нельзя.

Действующие на деталь, не могут быть установлены достаточно точно,

расчетные напряжения в детали могут быть вычислены иногда лишь приближенно,

возможны отклонения действительных от расчетных характеристик.

Деталь должна быть спроектирована с некоторым расчетным коэффициентом запаса прочности :

.

Ясно, что чем больше n, тем прочнее деталь. Однако очень большой коэффициент запаса прочности приводит к перерасходу материала, и это делает деталь тяжелой и неэкономичной.

В зависимости от назначения конструкции устанавливается требуемый коэффициент запаса прочности .

Условие прочности : прочность детали считается обеспеченной, если . Используя выражение , перепишем условие прочности в виде:

Отсюда можно получить и другую форму записи условия прочности :

Отношение, стоящее в правой части последнего неравенства, называют допускаемым напряжением :

Если предельные и, следовательно, допускаемые напряжения при растяжении и сжатии различны, их обозначают и . Пользуясь понятием допускаемого напряжения , можно условие прочности сформулировать следующим образом: прочность детали обеспечена, если возникающее в ней наибольшее напряжение не превышает допускаемого напряжения .

Допускаемые напряжения

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Допускаемые напряжения
Рубрика (тематическая категория)	Математика

Таблица 2.4

Рис.2.22

Рис.2.18

Рис.2.17

Рис. 2.15

Для испытаний на растяжение применяют разрывные машины, позволяющие в процессе испытания записать диаграмму в координатах “нагрузка – абсолютное удлинœение”. Характер диаграммы растяжения зависит от свойств испытуемого материала и от скорости деформирования. Типичный вид такой диаграммы для малоуглеродистой стали при статическом приложении нагрузки изображен на рис. 2.16.

Рассмотрим характерные участки и точки этой диаграммы, а также соответствующие им стадии деформирования образца:

ОА – справедлив закон Гука;

АВ – появились остаточные (пластические) деформации;

ВС – пластические деформации растут;

СД – площадка текучести (рост деформации происходит при постоянной нагрузке);

ДК – участок упрочнения (материал вновь приобретает способность увеличивать сопротивление дальнейшей деформации и воспринимает возрастающее до некоторого предела усилие);

Точка K – испытание остановили и произвели разгрузку образца;

KN – линия разгрузки;

NKL – линия повторного нагружения образца (KL – участок упрочнения);

LM – участок падения нагрузки, в данный момент на образце появляется так называемая шейка - местное сужение;

Точка M – разрыв образца;

После разрыва образец имеет вид, примерно показанный на рис.2.17. Обломки можно сложить и измерить длину после испытания ℓ 1 , а также диаметр шейки d 1 .

В результате обработки диаграммы растяжения и измерений образца получаем ряд механических характеристик, которые можно разделить на две группы – характеристики прочности и характеристики пластичности.

Характеристики прочности

Предел пропорциональности:

Наибольшее напряжение, до которого справедлив закон Гука.

Предел текучести:

Наименьшее напряжение, при котором деформация образца происходит при постоянном растягивающем усилии.

Предел прочности (временное сопротивление):

Наибольшее напряжение, отмеченное в процессе испытания.

Напряжение в момент разрыва:

Определяемое таким образом напряжение при разрыве весьма условно и не должна быть использовано в качестве характеристики механических свойств стали. Условность состоит в том, что получено оно делœением силы в момент разрыва на первоначальную площадь поперечного сечения образца, а не на действительную его площадь при разрыве, которая значительно меньше начальной вследствие образования шейки.

Характеристики пластичности

Напомним, что пластичность - ϶ᴛᴏ способность материала деформиро­ваться без разрушения. Характеристики пластичности – деформационные, по­этому определяются по данным измерения образца после разрушения:

∆ℓ ос = ℓ 1 - ℓ 0 – остаточное удлинœение,

– площадь шейки.

Относительное удлинœение после разрыва:

. (2.25)

Эта характеристика зависит не только от материала, но и от соотношения размеров образца. Именно в связи с этим стандартные образцы имеют фиксированное отношение ℓ 0 = 5d 0 или ℓ 0 = 10d 0 и величина δ всœегда приводится с индексом – δ 5 или δ 10 , причём δ 5 > δ 10 .

Относительное сужение после разрыва:

. (2.26)

Удельная работа деформации:

где А – работа͵ затраченная на разрушение образца; находится как площадь, ограниченная диаграммой растяжения и осью абсцисс (площадь фигуры OABCDKLMR). Удельная работа деформации характеризует способность материала сопротивляться ударному действию нагрузки.

Из всœех полученных при испытании механических характеристик основными характеристиками прочности являются предел текучести σ т и предел прочности σ пч, а основными характеристиками пластичности – относительное удлинœение δ и относительное сужение ψ после разрыва.

Разгрузка и повторное нагружение

При описании диаграммы растяжения было указано, что в точке К испыта­ние остановили и произвели разгрузку образца. Процесс разгрузки описы­вался прямой KN (рис.2.16), параллельной прямолинœейному участку OA диаграммы. Это означает, что удлинœение образца ∆ℓ′ П, полученное до на­чала разгрузки, полностью не исчезает. Исчезнувшая часть удлинœения на диаграмме изображается отрезком NQ, оставшаяся – отрезком ОN. Следовательно, полное удлинœение образца за пределом упругости состоит из двух частей – упругой и остаточной (пластической):

∆ℓ′ П = ∆ℓ′ уп + ∆ℓ′ ос.

Так будет вплоть до разрыва образца. После разрыва упругая составляющая полного удлинœения (отрезок ∆ℓ уп) исчезает. Остаточное удлинœение изображается отрезком ∆ℓ ос. В случае если же прекратить нагружение и разгрузить образец в пределах участка OB, то процесс разгрузки изобразится линией, совпадающей с линией нагрузки – деформация чисто упругая.

При повторном нагружении образца длиною ℓ 0 + ∆ℓ′ ос линия нагружения практически совпадает с линией разгрузки NK. Предел пропорциональности повысился и стал равным тому напряжению, от которого производилась разгрузка. Далее прямая NK перешла в кривую KL без площадки текучести. Часть диаграммы, расположенная левее линии NK, оказалась отрезанной, ᴛ.ᴇ. начало координат переместилось в точку N. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в результате вытяжки за предел текучести, образец изменил свои механические свойства:

1). повысился предел пропорциональности;

2). исчезла площадка текучести;

3). уменьшилось относительное удлинœение после разрыва.

Такое изменение свойств принято называть наклёпом .

При наклёпе повышаются упругие свойства и понижается пластичность. В некоторых случаях (к примеру, при механической обработке) явление наклёпа нежелательно и его устраняют термообработкой. В других случаях его создают искусственно для улучшения упругости деталей или конструкций (обработка дробью рессор или вытяжка тросов грузоподъёмных машин).

Диаграммы напряжений

Чтобы получить диаграмму, характеризующую механические свойства материала, первичную диаграмму растяжения в координатах Р – ∆ℓ перестраивают в координатах σ – ε. Так как ординаты σ = Р/F и абсциссы σ = ∆ℓ/ℓ получают делœением на постоянные, диаграмма имеет такой же вид, как и первоначальная (рис. 2.18,а).

Из диаграммы σ – ε видно, что

ᴛ.ᴇ. модуль нормальной упругости равен тангенсу угла наклона прямолинœейного участка диаграммы к оси абсцисс.

По диаграмме напряжений удобно определять так называемый условный предел текучести. Дело в том, что большинство конструкционных материалов не имеет площадки текучести – прямая линия плавно переходит в кривую. В этом случае за величину предела текучести (условного) принимается напряжение, при котором относительное остаточное удлинœение равно 0,2%. На рис. 2.18,б показано, как определяется величина условного предела текучести σ 0,2 . Предел текучести σ т, определяемый при наличии площадки текучести, часто называют физическим .

Нисходящий участок диаграммы носит условный характер, поскольку действительная площадь поперечного сечения образца после образования шейки значительно меньше первоначальной площади, по которой определяются координаты диаграммы. Можно получить истинное напряжение, в случае если величину силы в каждый момент времени P t делить на действительную площадь поперечного сечения в данный же момент времени F t:

На рис. 2.18,а, этим напряжениям соответствует штриховая линия. До предела прочности S и σ практически совпадают. В момент разрыва истинное напряжение значительно превышает и предел прочности σ пч и тем более напряжение в момент разрыва σ р. Выразим площадь шейки F 1 через ψ и найдем S р.

Þ Þ .

Для пластичной стали ψ = 50 – 65%. В случае если принять ψ = 50% = 0,5, то получим S р = 2σ р, ᴛ.ᴇ. истинное напряжение наибольшее в момент разрыва, что вполне логично.

2.6.2. Испытание на сжатие различных материалов

Испытание на сжатие дает меньше информации о свойствах материала, чем испытание на растяжение. Тем не менее, оно совершенно крайне важно для характеристики механических свойств материала. Осуществляется на образцах в виде цилиндров, высота которых не более 1,5 диаметра, или на образцах в виде кубиков.

Рассмотрим диаграммы сжатия стали и чугуна. Стоит сказать, что для наглядности изобразим их на одном рисунке с диаграммами растяжения этих материалов (рис.2.19). В первой четверти – диаграммы растяжения, а в третьей – сжатия.

В начале загружения диаграмма сжатия стали – наклонная прямая с таким же наклоном, как и при растяжении. Потом диаграмма переходит в участок текучести (площадка текучести выражена не так отчетливо, как при растяжении). Далее кривая слегка изгибается и не обрывается, т.к. стальной образец не разрушается, а только сплющивается. Модуль упругости стали Е при сжатии и растяжении одинаков. Также одинаковы и предел текучести σ т + = σ т - . Предел прочности при сжатии получить невозможно, как и невозможно получить характеристики пластичности.

Диаграммы растяжения и сжатия чугуна по форме похожи: искривляются с самого начала и по достижении максимальной нагрузки обрываются. При этом на сжатие чугун работает лучше, чем на растяжение (σ пч - = 5 σ пч +). Предел прочности σ пч - ϶ᴛᴏ единственная механическая характеристика чугуна, получаемая при испытании на сжатие.

Трение, возникающее во время испытания между плитами машины и торцами образца, оказывает существенное влияние на результаты испытания и на характер разрушения. Цилиндрический стальной образец принимает бочкообразную форму (рис. 2.20,а), в чугунном кубике возникают трещины под углом 45 0 к направлению нагрузки. В случае если исключить влияние трения, смазав торцы образца парафином, трещины возникнут по направлению нагрузки и наибольшая сила будет меньше (рис.2.20,б и в). Большинство хрупких материалов (бетон, камень) разрушается при сжатии аналогично тому, как чугун, и имеет аналогичную диаграмму сжатия.

Представляет интерес испытание древесины – анизотропного, ᴛ.ᴇ. обладающего различной прочностью исходя из направления силы по отношению к направлению волокон, материала. Анизотропными являются и всœе более широко применяемые стеклопластики. При сжатии вдоль волокон древесина значительно прочнее, чем при сжатии поперек волокон (кривые 1 и 2 на рис.2.21). Кривая 1 похожа на кривые сжатия хрупких материалов. Разрушение происходит вследствие сдвига одной части кубика относительно другой (рис.2.20,г). При сжатии поперек волокон древесина не разрушается, а прессуется (рис. 2.20,д).

При испытании на растяжение стального образца мы обнаружили изменение механических свойств в результате вытяжки до появления заметных остаточных деформаций – наклёп. Посмотрим, как ведет себя образец после наклёпа при испытании на сжатие. На рис.2.19 диаграмма показана пунктиром. Сжатие идет по кривой NC 2 L 2 , которая располагается выше диаграммы сжатия образца, не подвергавшегося наклёпу OC 1 L 1 , и почти параллельно последней. После наклёпа растяжением пределы пропорциональности и текучести при сжатии уменьшаются. Это явление принято называть эффектом Баушингера по имени учёного, впервые его описавшего.

2.6.3. Определœение твёрдости

Очень распространённым механико-технологическим испытанием является определœение твёрдости. Это обусловлено быстротой и простотой таких испытаний и ценностью получаемой информации: твёрдостью характеризует состояние поверхности детали до и после технологической обработки (закалки, азотирования и т.п.), по ней можно косвенно судить о величинœе предела прочности.

Твёрдостью материала принято называть способность оказывать сопротивление механическому проникновению в него другого, более твёрдого тела. Величины, характеризующие твёрдость, называют числами твёрдости. Определяемые разными методами, они различны по величинœе и по размерности и всœегда сопровождаются указанием способа их определœения.

Наиболее распространённый метод – по Бринœелю. Испытание состоит по сути в том, что в образец вдавливают стальной закалённый шарик диаметра D (рис.2.22,а). Шарик выдерживается неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ время под нагрузкой P, благодаря чему на поверхности остается отпечаток (лунка) диаметром d. Отношение нагрузки в кН к площади поверхности отпечатка в см 2 принято называть числом твёрдости по Бринœелю

. (2.30)

Для определœения числа твёрдости по Бринœелю используют специальные испытательные приборы, диаметр отпечатка измеряется портативным микроскопом. Обычно HB не считают по формуле (2.30) , а находят из таблиц.

Пользуясь числом твёрдости HB, можно без разрушения образца получить приближённое значение предела прочности некоторых металлов, т.к. существует линœейная связь между σ пч и HB: σ пч = k ∙ HB (для малоуглеродистой стали k = 0,36, для высокопрочной стали k = 0,33, для чугуна k = 0,15, для алюминиевых сплавов k = 0,38, для титановых сплавов k = 0,3).

Весьма удобен и широко распространён метод определœения твердости по Роквеллу . В этом способе в качестве индентора, вдавливаемого в образец, используется алмазный конус с углом при вершинœе 120 градусов и радиусом закругления 0,2 мм, или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма). Испытание происходит по схеме, приведённой на рис. 2.22,б. Сначала конус вдавливается предварительной нагрузкой P 0 = 100 H, которая не снимается до конца испытания. При этой нагрузке конус погружается на глубину h 0 . Далее на конус подается полная нагрузка P = P 0 + P 1 (два варианта: A – P 1 = 500 H и C – P 1 = 1400 H), при этом глубина вдавливания увеличивается. После снятия основной нагрузки P 1 остается глубина h 1 . Глубина отпечатка, полученная за счёт основной нагрузки P 1 , равная h = h 1 – h 0 , характеризует твердость по Роквеллу. Число твёрдости определяется по формуле

, (2.31)

где 0,002 – цена делœения шкалы индикатора твердомера.

Существуют и другие методы определœения твёрдости (по Виккерсу, по Шору, микротвёрдость), которые здесь не рассматриваются.

2.6.4. Сравнение свойств различных материалов

Мы уже подробно рассмотрели свойства пластичного и хрупкого материалов – малоуглеродистой стали и серого чугуна - при растяжении и сжатии. Продолжим это сравнение – рассмотрим диаграммы растяжения некоторых металлов (рис.2.23).

Все показанные на рисунке стали –40, Ст6, 25ХНВА, марганцовистая – имеют гораздо более высокие характеристики прочности, чем малоуглеродистая сталь Ст3. Площадка текучести у высокопрочных сталей отсутствует, относительное удлинœение при разрыве δ значительно меньше. За повышение прочности приходится платить понижением пластичности. Хорошей пластичностью обладают алюминиевый и титановый сплавы. При этом прочность алюминиевого сплава выше, чем у Ст3, а объёмный вес почти в три раза меньше. А титановый сплав имеет прочность на уровне высокопрочной легированной стали при почти в два раза меньшем объёмном весе. В табл.2.4 приведены механические характеристики некоторых современных материалов.

Материал	Марка	Предел текучести, σ т	Предел прочности, σ пч	Относит. удлинœение при разрыве, δ 5	Относит сужение при разрыве, ψ	Объёмный вес, γ	Модуль Юнга, E
		кН/см 2	кН/см 2	%	%	г/см 3	кН/см 2
	Ст3		34-42			7,85	2·10 4
Сталь углеродистая горячекатаная	СТ6		60-72			7,85	2·10 4
Сталь углеродистая качественная						7,85	2·10 4
Сталь легированная хромникельвольфрамовая	25ХНВА					7,85	2,1·10 4
Сталь легированная кремнехроммарганцовистая	35ХГСА					7,85	2,1·10 4
Чугун	СЧ24-44	-		-	-	7,85	1,5·10 4
Алюминиевый сплав	Д16Т				-	2,8	0,7·10 4
Бронза кремнистая	БрК-3	-			-	7,85	1,1·10 4
Титановый сплав	ВТ4				-	4,5
Стеклопластик	СВАМ	-			-	1,9	0,4·10 4
Углепластик	КЕВЛАР			-	-	1,7	3·10 4

В последних двух строчках таблицы приведены характеристики полимерных композиционных материалов, отличающихся малым весом и высокой прочностью. Особо выдающимися свойствами отличаются композиты на базе суперпрочных углеродных волокон – прочность их примерно в два раза выше прочности самой лучшей легированной стали и на порядок – малоуглеродистой стали. Οʜᴎ жестче стали в полтора раза и легче почти в пять раз. Применяются, конечно, в военной технике – авиа- и ракетостроении. В последние годы начинают применяться и в гражданских областях – автомобилестроении (кузова, тормозные диски, выхлопные трубы гоночных и дорогих спортивных машин), судостроении (корпуса катеров и малых судов), медицинœе (инвалидные коляски, детали протезов), машиностроении для спорта (рамы и колеса гоночных велосипедов и другой спортивный инвентарь). Широкому применению этого материала пока препятствует его высокая стоимость и низкая технологичность.

Резюмируя всœе вышесказанное о механических свойствах различных материалов, можно сформулировать основные особенности свойств пластичных и хрупких материалов.

1. Хрупкие материалы, в отличие от пластичных, разрушаются при незначительных остаточных деформациях.

2. Пластичные материалы одинаково сопротивляются растяжению и сжатию, хрупкие – хорошо сжатию и плохо растяжению.

3. Пластичные материалы хорошо сопротивляются ударным нагрузкам, хрупкие – плохо.

4. Хрупкие материалы очень чувствительные к так называемой концентрациинапряжений (локальным всплескам напряжений вблизи мест резкого изменения формы деталей). На прочность деталей из пластичного материала концентрация напряжений влияет в гораздо меньшей степени. Более подробно об этом – чуть ниже.

5. Хрупкие материалы не поддаются технологической обработке, связанной с пластической деформацией – штамповке, ковке, волочению и т.п.

Делœение материалов на пластичные и хрупкие носит условный характер, так как при некоторых условиях хрупкие материалы получают пластические свойства (к примеру, при большом всœестороннем сжатии) и, напротив - пластичные материалы приобретают хрупкие свойства (к примеру, мягкая сталь при низкой температуре). По этой причине правильнее говорить не о пластичном и хрупком материалах, а об их пластическом и хрупком разрушении.

Как уже указывалось, детали машин и других конструкций должны удовлетворять условиям прочности (2.3) и жёсткости (2.13). Величина допускаемых напряжений устанавливается исходя из материала (его механических характеристик), вида деформации, характера действия нагрузок, условий работы конструкций и тяжести последствий, которые могут наступить в случае разрушения:

n – коэффициент запаса прочности, n > 1.

Для деталей, выполненных из пластичного материала, опасное состояние характеризуется появлением больших остаточных деформаций, в связи с этим опасное напряжение равно пределу текучести σ оп = σ т.

Для деталей, изготовленных из хрупкого материала, опасное состояние характеризуется появлением трещин, в связи с этим опасное напряжение равно пределу прочности σ оп = σ пч.

Все перечисленные выше условия работы деталей учитываются коэффициентом запаса прочности. При любых условиях имеют место некоторые общие факторы, учитываемые коэффициентом запаса прочности:

1. Неоднородность материала, следовательно, разброс механических характеристик;

2. Неточность задания величин и характера внешних нагрузок;

3. Приближённость расчётных схем и методов расчёта.

На основании данных длительной практики конструирования, расчёта и эксплуатации машин и сооружений величина коэффициента запаса прочности для стали принимается равной 1,4 – 1,6. Для хрупких материалов при статической нагрузке принимают запас прочности 2,5 – 3,0. Итак, для пластичных материалов:

. (2.33)

Для хрупких материалов

. (2.34)

При сравнении свойств пластичных и хрупких материалов отмечалось, что на прочность влияет концентрация напряжений. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что равномерное распределœение напряжений по площади поперечного сечения растянутого (сжатого) стержня в соответствии с формулой (2.2) нарушается вблизи мест резкого изменения формы и размера поперечного сечения – отверстий, галтелœей, выкружек и др.
Размещено на реф.рф
Около этих мест возникают локальные всплески напряжений – концентрация напряжений.

Для примера рассмотрим концентрацию напряжений в растягиваемой полосœе с малым отверстием. Отверстие считается малым, в случае если выполняется условие d ≤ 1/5b (рис.2.27,а). При наличии концентрации напряжение определяется по формуле:

σ max = α σ ∙ σ nom . (2.35)

где α σ – коэффициент концентраций напряжений, определяемый методами теории упругости или экспериментально на моделях;

σ nom – номинальное напряжение, ᴛ.ᴇ. напряжение, вычисленное для данной детали при отсутствии концентрации напряжений.

Для рассматриваемого случая (α σ = 3 и σ nom = N/F) эта задача является в известном смысле классической задачей о концентрации напряжений и принято называть по имени решившего её в конце XIX века учёного задачей Кирша.

Рассмотрим, как поведет себя полоса с отверстием по мере увеличения нагрузки. В пластичном материале максимальное напряжение у отверстия станет равным пределу текучести (рис.2.27,б). Концентрация напряжений всœегда очень быстро затухает, в связи с этим уже на небольшом удалении от отверстия напряжение гораздо меньше. Увеличим нагрузку (рис.2.27,в): напряжение у отверстия не увеличивается, т.к. пластичный материал имеет довольно протяжённую площадку текучести, уже на некотором удалении от отверстия напряжение становится равным пределу текучести.

Допускаемые напряжения - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Допускаемые напряжения" 2017, 2018.

Основной задачей расчета конструкции является обеспечение ее прочности в условиях эксплуатации.

Прочность конструкции, выполненной из хрупкого металла, считается обеспеченной, если во всех поперечных сечениях всех ее элементов фактические напряжения меньше предела прочности материала. Величины нагрузок, напряжения в конструкции и предел прочности материала нельзя установить совершенно точно (в связи с приближенностью методики расчета, способов определения предела прочности и т. д.).

Поэтому необходимо, чтобы наибольшие напряжения, полученные в результате расчета конструкции (расчетные напряжения), не превышали некоторой величины, меньшей предела прочности, называемой допускаемым напряжением. Значение допускаемого напряжения устанавливается путем деления предела прочности на величину, большую единицы, называемую коэффициентом запаса.

В соответствии с изложенным условие прочности конструкции, выполненной из хрупкого материала, выражается в виде

где - наибольшие расчетные растягивающие и сжимающие напряжения в конструкции; и [-допускаемые напряжения при растяжении и сжатии соответственно.

Допускаемые напряжения зависят от пределов прочности материала на растяжение и сжатие ствс и определяются выражениями

где - нормативный (требуемый) коэффициент запаса прочности по отношению к пределу прочности.

В формулы (39.2) и (40.2) подставляются абсолютные значения напряжений

Для конструкций из пластичных материалов (у которых пределы прочности на растяжение и сжатие одинаковы) используется следующее условие прочности:

где а - наибольшее по абсолютной величине сжимающее или растягивающее расчетное напряжение в конструкции.

Допускаемое напряжение для пластичных материалов определяется по формуле

где - нормативный (требуемый) коэффициент запаса прочности по отношению к пределу текучести.

Использование при определении допускаемых напряжений для пластичных материалов предела текучести (а не предела прочности, как для хрупких материалов) связано с тем, что после достижения предела текучести деформации могут весьма резко увеличиваться даже при незначительном увеличении нагрузки и конструкции могут перестать удовлетворять условиям их эксплуатации.

Расчет прочности, выполняемый с использованием условий прочности (39.2) или (41.2), называется расчетом по допускаемым напряжениям. Нагрузка, при которой наибольшие напряжения в конструкции равны допускаемым напряжениям, называется допускаемой.

Деформации ряда конструкций из пластичных материалов после достижения предела текучести не возрастают резко даже при существенном увеличении нагрузки, если она не превышает величины так называемой предельной нагрузки. Такими, например, являются статически неопределимые конструкции (см. § 9.2), а также конструкции с элементами, испытывающими деформации изгиба или кручения.

Расчет этих конструкций производят или по допускаемым напряжениям, т. е. с использованием условия прочности (41.2), или по так называемому предельному состоянию. В последнем случае допускаемую нагрузку называют предельно допускаемой нагрузкой, а ее величину определяют путем деления предельной нагрузки на нормативный коэффициент запаса несущей способности. Два простейших примера расчета конструкции по предельному состоянию приведены ниже в § 9.2 и примере расчета 12.2.

Следует стремиться к тому, чтобы допускаемые напряжения были полностью использованы, т. е. удовлетворялось условие если это по ряду причин (например, в связи с необходимостью стандартизации размеров элементов конструкции) не удается, то расчетные напряжения должны как можно меньше отличаться от допускаемых. Возможно незначительное превышение расчетных допускаемых напряжений и, следовательно, некоторое снижение фактического коэффициента запаса прочности (по сравнению с нормативным).

Расчет центрально растянутого или сжатого элемента конструкции на прочность должен обеспечить выполнение условия прочности для всех поперечных сечений элемента. При этом большое значение имеет правильное определение так называемых опасных сечений элемента, в которых возникают наибольшие растягивающие и наибольшие сжимающие напряжения. В тех случаях, когда допускаемые напряжения на растяжение или сжатие одинаковы, достаточно найти одно опасное сечение, в котором имеются наибольшие по абсолютной величине нормальные напряжения.

При постоянной по длине бруса величине продольной силы опасным является поперечное сечение, площадь которого имеет наименьшее значение. При брусе постоянного сечения опасным является то поперечное сечение, в котором возникает наибольшая продольная сила.

При расчет конструкций на прочность встречаются три вида задач, различающихся формой использования условий прочности:

а) проверка напряжений (проверочный расчет);

б) подбор сечений (проектный расчет);

в) определение грузоподъемности (определение допускаемой нагрузки). Рассмотрим эти виды задач на примере растянутого стержня из пластичного материала.

При проверке напряжений площади поперечных сечений F и продольные силы N известны и расчет заключается в вычислении расчетных (фактических) напряжений а в характерных сечениях элементов.

Полученное при этом наибольшее напряжение сравнивают затем с допускаемым:

При подборе сечений определяют требуемые площади поперечных сечений элемента (по известным продольным силам N и допускаемому напряжению ). Принимаемые площади сечений F должны удовлетворять условию прочности, выраженному в следующем виде:

При определении грузоподъемности по известным значениям F и допускаемому напряжению вычисляют допускаемые величины продольных сил: По полученным значениям затем определяются допускаемые величины внешних нагрузок [Р].

Для этого случая условие прочности имеет вид

Величины нормативных коэффициентов запаса прочности устанавливаются нормами. Они зависят от класса конструкции (капитальная, временная и т. п.), намечаемого срока ее эксплуатации, нагрузки (статическая, циклическая и т. п.), возможной неоднородности изготовления материалов (например, бетона), от вида деформации (растяжение, сжатие, изгиб и т. д.) и других факторов. В ряде случаев приходится снижать коэффициент запаса в целях уменьшения веса конструкции, а иногда увеличивать коэффициент запаса - при необходимости учитывать износ трущихся частей машин, коррозию и загнивание материала.

Величины нормативных коэффициентов запаса для различных материалов, сооружений и нагрузок имеют в большинстве случаев значения: - от 2,5 до 5 и - от 1,5 до 2,5.

Коэффициенты запаса прочности, а следовательно, и допускаемые напряжения для строительных конструкций регламентированы соответствующими нормами их проектирования. В машиностроении обычно выбирают требуемый коэффициент запаса прочности, ориентируясь на опыт проектирования и эксплуатации машин аналогичных конструкций. Кроме того, ряд передовых машиностроительных заводов имеет внутризаводские нормы допускаемых напряжений, часто используемые и другими родственными предприятиями.

Ориентировочные величины допускаемых напряжений при растяжении и сжатии для ряда материалов приведены в приложении II.