Скорость и время нагружения

Главная

Лекция 23. Влияние эксплуатационных и конструкционно-технологических факторов на механическое поведение конструкционных материалов

Свойства материала, воплощенного в реальное изделие заданных размеров, формы, текстуры, состояния поверхности, могут значительно отличаться от тех, которые определяют путем испытаний стандартных образцов в стандартных условиях. Как правило, действительная прочность конструкции оказывается ниже той, которая может быть предсказана без учета ее специфики по стандартным механическим характеристикам материала.

Причинами, вызывающими это различие, являются: особенность формы конструкции и связанные с нею, в частности, неоднородность напряженного состояния и концентрации напряжений; отличие абсолютных размеров образца от размеров детали, т.е. масштабный фактор; наличие в конструкции технологических или эксплуатационных остаточных напряжений или иное их распределение по сравнению с образцом; различие в жесткостях, что приводит к различным уровням запаса упругой энергии детали и образца; разные состояния их поверхностей; изменение свойств материала в процессе эксплуатации и т.п.

Большое влияние оказывают условия окружающей среды, в которых приходится работать материалам строительных конструкций и деталям машин. Например, при повышенных температурах (конструкции доменных печей, ракетных двигателей) или при пониженных температурах (элементы холодильных установок), при действии радиоактивных, особенно нейтронных, проникающих излучений (ядерные реакторы), электромагнитных полей или же вызвано протеканием физико-химических процессов, химических и электрохимических реакций на поверхности твердого тела и в его объеме. Ясно, что механические свойства материалов будут изменяться и зависеть от условий эксплуатации конструкций, элементов машин и механизмов.

Все это свидетельствует о необходимости дифференцированного подхода к установлению коэффициентов запаса, которые должны учитывать специфику работы материала в реальном изделии. В тех случаях, когда необходимая информация отсутствует, большое значение, особенно для ответственных конструкций, приобретают натурные испытания деталей и их элементов. Эти испытания, с одной стороны, позволяют апробировать разработанные методы оценки прочности конструктивных элементов, основанные на использовании данных испытаний образцов, а с другой – позволяют определить комплексное влияние различных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, характерных для создаваемого изделия и реальных условий эксплуатации.

Скорость и время нагружения

Большое влияние на механические свойства материалов оказывает скорость и время нагружения. При высокоскоростном нагружении более резко проявляются свойства хрупкости, а при медленном нагружении - свойства пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии нагрузки в условиях нормальной температуры (+20 ⁰С) проявлять пластические свойства. Пластичные же материалы, такие, как малоуглеродистая сталь, при воздействии ударных нагрузок проявляет хрупкие свойства. В зависимости от указанных обстоятельств механические свойства материалов проявляются по-разному. Обобщенный анализ свойств материалов с учетом скорости и времени нагружения оказывается очень сложным. Функциональная зависимость между тремя параметрами , , и временем t, т.е. не является адекватной и содержит в сложной форме дифференциальные и интегральные соотношения, входящих в нее величин.

Так как в обобщенной форме, точное аналитическое выражение функции f получить невозможно, то влияние фактора времени рассматривается в настоящее время применительно только к частным классам задач. Деление на классы производится как по характеру действия внешних сил, так и по типу материалов, а также в зависимости от скорости нагружения.

Наиболее, изучаемыми в механике материалов, являются процессы, происходящие при действии медленно изменяющихся (статических) нагрузок.

Скорость изменения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия деформируемого тела, составляет незначительную долю от работы внешних сил. Поэтому работа внешних сил превращается только в упругую энергию и в необратимую тепловую энергию, связанную с пластическими деформациями тела.

Влияние температуры

В общем случае с ростом температуры, механические характеристики материалов существенно изменяются. При этом, чем выше температура, тем труднее эти характеристики определить. Происходит это не только потому, что возрастают сложности в технике эксперимента, но также вследствие того, что сама характеристика становится менее определенной.

Высокие температуры не только способствуют возникновению реологических явлений в материалах, но и изменяют их механические свойства. В большинстве случаев при нагреве характеристики прочности уменьшаются с повышением характеристик пластичности, а при охлаждении наоборот, однако это наблюдается не у всех материалов. Например, у стали марки Ст3 при ⁰C =140 МПа, =250 МПа; при ⁰C =40 МПа, =150 МПа, т.е. предел текучести и при 600...650 ⁰С наступает температурная пластичность. У малоуглеродистых сталей на кривой зависимости деформации от температуры заметен участок, когда удлинение образца при разрыве с повышением температуры уменьшается, а при дальнейшем повышении температуры пластически свойства стали восстанавливаются при падении прочностных показателей. Это явление называется охрупчиванием. При отрицательных температурах у сталей увеличивается их хрупкость – при ⁰C Ст3 становится хрупкой. Это свойство называется хладноломкостью.

Характеристики пластичности с повышением температуры увеличиваются, а с понижением температуры уменьшаются. При изменении температуры не остаются постоянными и физические характеристики материала: при повышении температуры модуль упругости существенно уменьшается, а коэффициент Пуассона незначительно увеличивается – с 0,28 до 0,33.

У цветных металлов и их сплавов прочность при повышении температуры испытания резко падает и практически теряется приблизительно при 600 ⁰С, пластичность же постепенно снижается. Для алюминия характерна иная картина: его пластичность и предел прочности возрастают.

Изделия из пластмасс больше подвержены температурным воздействиям и длительным нагрузкам, чем металлы. Для них температурный и временной факторы, так же как и масштабный, являются весьма существенными. Реологические явления обнаруживаются у пластмасс даже при обычных температурах. Прочность при нагреве падает с увеличением пластичности, при охлаждении повышаются прочность и хрупкость.

При статическом нагружении, начиная с некоторых значений температур, фактор времени становится очень существенным. Для разных материалов это явление происходит при совершенно различных температурных режимах. Влияние фактора времени обнаруживается и при нормальных температурах. Для металлов его влияние, из-за незначительности, можно пренебречь. А для органических материалов даже при низких температурах время нагружения имеет существенное значения.

В настоящее время созданы и широко применяются специальные сплавы и металлокерамические материалы, которые могут надежно работать при повышенных температурах (до 1000 ⁰С).