Жесткость металла что это
Видео: About my channel supporting (English subtitles) 2022
Твердость - это показатель того, сколько энергии может поглотить металл до разрыва или разрыва. Это также относится к способности металла изгибаться без разрушения.
В чем разница между жесткостью, твердостью и силой?
Твердость, твердость и прочность звучат как схожие качества. Фактически, хотя оба измеряют способность металла противостоять стрессу, они сильно отличаются друг от друга.
- Показатель жесткости - способность металла сохранять свою целостность при нажатии, вытягивании или деформировании. Металл, который можно согнуть без разрушения, является более жестким, чем металл, который будет ломаться, а не изгибаться.
- Твердость - это мера способности металла выдерживать трение и, таким образом, избегать истирания. Например, алмаз очень тяжелый. Очень трудно поцарапать поверхность алмаза. Но алмаз не особенно прочен, так как он легко может быть разбит тяжелым ударом.
- Сила - это мера силы, требуемой для изгиба металла. Некоторые металлы легко согнуты и поэтому ценны для ювелирных изделий и аналогичного использования. Другие являются чрезвычайно сильными и поэтому ценятся для использования в крупных структурах.
Металл может быть жестким, твердым и сильным - или любой комбинацией трех качеств. При выборе металла для конкретного использования металлурги ищут подходящую комбинацию прочности, твердости и прочности.
Во многих случаях металлы сплавляются с другими металлами, чтобы добавить, например, твердость к жесткому металлу или прочность к твердым металлам.
Как протестирована жесткость?
В то время как технически не испытание на ударную вязкость, прочность материала чаще всего измеряется испытанием на удар, известным как тест на ударную вязкость по Шарпи (CVN).
В стандартном CVN-испытании квадратный стержень размером 10 мм × 10 мм имеет небольшую «V» -образную выемку, обработанную на одной грани.
Молоток, качающийся с большого маятника, ударит в сторону напротив выреза. Если металл не сломается, уровень энергии увеличивается до тех пор, пока металл не сломается. После того, как ударная машина Шарпи разрушает планку, регистрируется количество энергии, необходимое для возникновения разрыва, что позволяет измерять ударную вязкость в фунтах.
Металлы Глоссарий: что такое гидрид металла?
Большинство гидридов ведут себя как восстановители в химических реакциях. Никель-металлгидридные (NiMH) батареи полагаются на гидриды редкоземельных интерметаллических соединений.
Все О литье металла (MIM)
Металл Литье под давлением (MIM) - это процесс металлообработки, который включает в себя преобразование металла порошки в замысловатые, специализированные металлические детали.
Свойства, история и использование латунного металла
Латунь - это бинарный сплав, состоящий из меди и цинка, который был производится на протяжении тысячелетий и ценится за его работоспособность и привлекательный внешний вид.
Механические свойства металлов
Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).
Механические свойства металлов при статическом нагружении.В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.
Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.
Испытания на растяжение. Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.
На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 13, а) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.
От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА – прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости металла.
 |
Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичных металлов:
а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести
При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА¢. В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, sт называют физическим пределом текучести. Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (σ0,2).
Участок А¢В (см. рис 13, а) соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении σв. Это характеристика статической прочности:
где Рmax – наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, МПа;
F0 – начальная площадь поперечного сечения образца, м 2 .
У пластичных металлов, начиная с напряжения σв, деформация сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности. Сливаясь, они образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести показана на рис. 13, б.
Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.
Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l – l0), к его первоначальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:
где l0 – первоначальная длина образца, мм;
l – длина образца после разрыва, мм.
Относительным сужением y называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (Fо – F), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:
где F0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;
F – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм 2 .
Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.
Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.
Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении. Все они названы в честь своих создателей.
Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм (рис. 14, а). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой каждому диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и получится искаженный результат. Этот метод в основном используется для измерения твердости неупрочненного металла заготовок и полуфабрикатов.
Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120° – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (рис. 14, б).
Шарик и конус вдавливаются в металл нагрузкой 60, 100 или 150 кг. Отсчет результатов измерений определяется по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 15, а). После включения нагрузки стрелка перемещается по шкале индикатора твердомера (рис. 15, б) и указывает значение твердости (рис. 15, в).
Рис. 15. Показания индикатора прибора ТК
При вдавливании стального шарика нагрузка – 100 кг (отсчет по внутренней (красной) шкале индикатора), твердость обозначают как НRВ. При вдавливании алмазного конуса отсчет твердости осуществляется по показанию стрелки на наружной (черной) шкале индикатора (см. рис. 15, в). Нагрузка 150 кг – для твердых металлов. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также мелких деталей нагрузка – 60 кг, обозначение твердости – НRА.
Определение твердости по Роквеллу дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы, а отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому можно измерять твердость готовых деталей. Измерения не требуют никаких вычислений – число твердости читается на шкале индикатора твердомера. Поверхность для испытания должна быть шлифованной.
Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют величину диагонали отпечатка (рис. 16). Зная нагрузку на пирамиду и величину диагонали отпечатка, по таблицам определяют твердость металла, обозначаемую как HV.
Этот метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроцементации и т. п.). Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, но чем больше нагрузка, тем точнее получаемый результат.
Прочность при динамическом нагружении(испытания на ударную вязкость – на удар).В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб. В результате определяют ударную вязкость – характеристику динамической прочности.
Для определения ударной вязкости применяют 20 типов образцов (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 17, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 17, б). Работа удара К (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:
К = G (h1 – h2), (6)
где G – вес маятника, Н;
h1 – высота подъема маятника до разрушения образца, м;
h2 – высота подъема маятника после разрушения, м.
Ударная вязкость обозначается КС (прежнее обозначение – aн) и подсчитывается как отношение работы, затраченной на разрушение образца К, к площади поперечного сечения образца в месте надреза F, МДж/м 2 :
КС (aн) = К / F. (7)
Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вязкости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV). Например, KCU = 1 кгс×м/см 2 = 98 кДж/м 2 .
 |
Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки способности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью.
Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100°С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания». Температура, при которой происходит падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое.
Прочность при циклическом нагружении(испытания на усталость). Многие детали (валы, рессоры, рельсы, шестерни) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется уста-лостью. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.
Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках. Она характеризуется наибольшим напряжением s-1, которое выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения не разрушаясь и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для углеродистой конструкционной стали предел усталости принимается равным (0,4 – 0,5) sв.
Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.
Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та, которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению.
Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. Таким образом, для усталостного излома характерно, как минимум, наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 18).
Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.
Живучесть – это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Она измеряется числом циклов нагружения до разрушения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.
Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).
3. металлические сплавы
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.
Методы испытания механических свойств металлов
Механические свойства металлов (прочность, упругость, пластичность, вязкость), как и другие свойства, являются исходными данными при проектировании и создании различных машин, механизмов и сооружений.
Методы определения механических свойств металлов делятся на следующие группы:
· статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
· динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
· циклические, когда нагрузка многократно изменяется (испытание на усталость);
· технологические — для оценки поведения металла при обработке давлением (испытания на изгиб, перегиб, выдавливание).
Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) проводятся на стандартных образцах круглого или прямоугольного сечения. При растяжении под действием плавно возрастающей нагрузки образец деформируется до момента разрыва. Во время испытания образца снимают диаграмму растяжения (рис. 1.36, а), фиксирующую зависимость между действующей на образец силой Р, и вызванной ею деформацией Δl (Δl — абсолютное удлинение).
Рис. 1.36. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали (а) и зависимость между напряжением и относительным удлинением (б)
Вязкость (внутреннее трение) — способность металла поглощать энергию внешних сил при пластической деформации и разрушении (определяется величиной касательной силы, приложенной к единице площади слоя металла, подлежащего сдвигу).
Пластичность — способность твердых тел необратимо деформироваться под действием внешних сил.
При испытании на растяжение определяют:
· σв — границу прочности, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рb — наибольшая нагрузка; F0 — начальная площадь сечения образца;
· σпц — границу пропорциональности, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Pпц — нагрузка, соответствующая границе пропорциональности;
· σпр — границу упругости, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рпр — нагрузка, соответствующая границе упругости (при σпр остаточная деформация соответствует 0,05-0,005 % начальной длины);
· σт — границу текучести, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рт — нагрузка, соответствующая границе текучести, Н;
· δ — относительное удлинение, %:
где l0 — длина образца до разрыва, м; l1 — длина образца после разрыва, м;
· ψ — относительное сужение, %:
где F0 — площадь сечения до разрыва, м 2 ; F — площадь сечения после разрыва, м 2 .
Испытания на твердость
Твердость — это сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела. Из всех видов механического испытания определение твердости является самым распространенным.
Испытания по Бринеллю (ГОСТ 9012-83) проводятся путем вдавливания в металл стального шарика. В результате на поверхности металла образуется сферический отпечаток (рис. 1.37, а).
Твердость по Бринеллю определяется по формуле:
где P — нагрузка на металл, Н; D — диаметр шарика, м; d — диаметр отпечатка, м.
Чем тверже металл, тем меньше площадь отпечатка.
Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от исследуемого металла, его твердости и толщины. При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и P = 30 кН (3000 кгс), при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 10 кН (1000 кгс), а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббитов и др.) D = 10 мм и P = 2,5 кН (250 кгс). При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром — 5 и 2,5 мм. На практике пользуются таблицей перевода площади отпечатка в число твердости.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450 (4500 МПа), поскольку шарик может деформироваться, что исказит результаты испытаний.
Испытания по Роквеллу (ГОСТ 9013-83). Проводятся путем вдавливания в металл алмазного конуса (α = 120°) или стального шарика (D = 1,588 мм или 1/16", рис. 1.37, б). Прибор Роквелла имеет три шкалы — В, С и А. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы С и А), а шарик — для испытания мягких материалов (шкала В). Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной Р0 и общей Р:
где Р1 — основная нагрузка.
Предварительная нагрузка Р0 = 100 Н (10 кгс). Основная нагрузка составляет 900 Н (90 кгс) для шкалы В; 1400 Н (140 кгс) для шкалы С и 500 Н (50 кгс) для шкалы А.
Рис. 1.37. Схема определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Рoквеллу; в — по Виккерсу
Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принимают величину, которая соответствует осевому перемещению наконечника на расстояние 0,002 мм.
Твердость по Роквеллу вычисляют следующим способом:
НR = 100 – e (шкалы А и С); НR = 130 – e (шкала В).
Величину e определяют по формуле:
где h — глубина проникновения наконечника в металл под действием общей нагрузки Р (Р =Р0+ Р1); h0 — глубина проникновения наконечника под действием предварительной нагрузки Р0.
В зависимости от шкалы твердость по Роквеллу обозначают НRВ, НRС, НRА.
Испытания по Виккерсу (ГОСТ 2999-83). В основе метода — вдавливание в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды (α = 136°) (рис. 1.37, в). Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Твердость по Виккерсу:
где Р — нагрузка на пирамиду, Н; d — среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, м.
Число твердости по Виккерсу определяют по специальным таблицам по диагонали отпечатка d. При измерении твердости применяют нагрузку от 10 до 500 Н.
Микротвердость (ГОСТ 9450-84). Принцип определения микротвердости такой же, как и по Виккерсу, согласно соотношению:
Метод применяется для определения микротвердости изделий мелких размеров и отдельных составляющих сплавов. Прибор для измерения микротвердости — это механизм вдавливания алмазной пирамиды и металлографический микроскоп. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же тщательно, как микрошлифы.
Испытание на ударную вязкость
Для испытания на удар изготавливают специальные образцы с надрезом, которые затем разрушают на маятниковом копре (рис. 1.39). Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на подъем маятника после его разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника отнять часть, которая тратится на подъем (взлет) после разрушения образца, получим работу разрушения образца:
K = Рl(соs β – соs α), Дж (кг·м),
де P — масса маятника, Н (кг); h1 — высота подъема центра масс маятника до удара, м; h2 — высота взлета маятника после удара, м; l — длина маятника, м; α, β — углы подъема маятника соответственно до разрушения образца и после него.
Рис. 1.39. Испытание на ударную вязкость: 1 — маятник; 2 — нож маятника; 3 — опоры
Ударную вязкость, т. е. работу, затраченную на разрушение образца и отнесенную к поперечному сечению образца в месте надреза, определяют по формуле:
где F — площадь поперечного сечения в месте надреза образца, м 2 (см 2 ).
Для определения KС пользуются специальными таблицами, в которых для каждого угла β определена величина работы удара K. При этом F = 0,8 · 10 –4 м 2 .
Для обозначения ударной вязкости добавляют и третью букву, указывающую на вид надреза на образце: U, V, Т. Запись KСU означает ударную вязкость образца с U-образным надрезом, KСV — с V-образным надрезом, а KСТ — с трещиной (рис. 1.40).
Рис. 1.40. Виды надрезов на образцах для испытания на ударную вязкость:
а — U-образный надрез (KCU); б — V-образный надрез (KСV); в — надрез с трещиной (KСТ)
Испытание на усталость (ГОСТ 2860-84). Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла. При разрушении металла вследствие усталости на воздухе излом состоит из двух зон: первая зона имеет гладкую притертую поверхность (зона усталости), вторая — зона долома, в хрупких металлах она имеет грубокристаллическое строение, а в вязких — волокнистое.
При испытании на усталость определяют границу усталости (выносливости), т. е. то наибольшее напряжение, которое может выдержать металл (образец) без разрушения заданное число циклов. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении (рис. 1.41).
Рис. 1.41. Схема испытания на изгиб при вращении:
1 — образец; Р — нагрузка; Мвиг — изгибающий момент
Применяют следующие основные виды технологических испытаний (проб).
Проба на изгиб (рис. 1.42) в холодном и горячем состоянии — для определения способности металла выдерживать заданный изгиб; размеры образцов — длина l = 5а + 150 мм, ширина b = 2а (но не менее 10 мм), где а — толщина материала.
Рис. 1.42. Технологическая проба на изгиб: а — образец до испытания; б — загиб до определенного угла; в — загиб до параллельности сторон; г — загиб до соприкосновения сторон
Проба на перегиб предусматривает оценку способности металла выдерживать повторный изгиб и применяется для проволоки и прутков диаметром 0,8—7 мм из полосового и листового материала толщиной до 55 мм. Образцы сгибают попеременно направо и налево на 90° с равномерной — около 60 перегибов в минуту — скоростью до разрушения образца.
Проба на выдавливание (рис. 1.43) — для определения способности металла к холодной штамповке и вытягиванию тонкого листового материала. Состоит в продавливании пуансоном листового материала, зажатого между матрицей и зажимом. Характеристикой пластичности металла является глубина выдавливания ямки, что соответствует появлению первой трещины.
Рис. 1.43. Испытание на выдавливание: 1 — лист; h — мера способности материала к вытяжке
Проба на навивку проволоки диаметром d ≤ 6 мм. Испытание состоит в навивке 5—6 плотно прилегающих по винтовой линии витков на цилиндр заданного диаметра. Выполняется только в холодном состоянии. Проволока после навивки не должна иметь повреждений.
Проба на искру используется при необходимости определения марки стали при отсутствии специального оборудования и маркировки.
Твёрдость как характеристика свойств материала
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
Это неразрушающий метод контроля, основной способ оценки качества термической обработки изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).
Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Схемы испытаний представлены на рис. 1.
Рис. 1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои материала, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически 5 деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным материалом.
В таких условиях возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). Поэтому при измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные, но также металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются практически без пластической деформации.
Таким образом, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство материала, отличающееся от других его механических свойств, способом измерения.
Преимущества измерения твердости следующие:
1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость. Так, сосредоточенная пластическая деформация металлов (при образовании шейки) аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника.
Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической деформации, а при измерении твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие.
По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.
2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки.
Измерения твердости выполняются быстро.
3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения её можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов.
4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости. Поэтому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах.
Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение макротвёрдости и измерение микротвердости.
Измерение макротвердости отличается тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, ависящую от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром 10 мм, в результате чего в деформируемом объёме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава. Измеренная твердость в этом случае характеризует твердость всего испытуемого материала.
Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра.
Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то малые по объёму участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки его твёрдости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, следовательно, при небольшой нагрузке.
При испытании металлов с высокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызвать деформацию шарика или скалывание алмаза.
Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объёма и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Поэтому величины нагрузок и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше некоторых определенных пределов.
Измерение микротвёрдости имеет целью определить твёрдость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не «усредненную» твёрдость, как при измерении макротвёрдости). В данном случае объём, деформируемый вдавливанием, должен быть меньше объёма (площади) измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой. Кроме того, микротвёрдость измеряют для характеристики свойств очень малых по размерам деталей.
Значительное влияние на результаты испытаний твёрдости оказывает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверхность неровная — криволинейная или с выступами, то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку, а для измерения микротвердости — полированную.
Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца также должна быть зачищена, и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.
Для приблизительнойердости удобно пользоваться шкалой Мооса – набором из 10 минералов, расположенных по возрастанию твердости:
Тальк – 1 Полевой шпат - 6
Гипс – 2 Кварц – 7
Кальцит – 3 Топаз – 8
Флюорит – 4 Корунд – 9
Апатит - 5 Алмаз - 10
Метод измерения твёрдости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю)
Этот способ универсальный и используется для определения твердости практически всех материалов.
В материал вдавливается стальной шарик, и значения твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливают с помощью пресса.
 |
Рис.2. Схема прибора для получения твердости вдавливанием шарика (измерение по Бринеллю): 1 - столик для центровки образца; 2 — маховик; 3 — грузы; 4 — шарик; 5 — электродвигатель.
Испытуемый образец устанавливают на столике 1 в нижней части неподвижной станины пресса (рис. 2), зашлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2по часовой стрелке столик поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5.
Последний перемещает коромысло и постепенно вдавливает шарик под действием нагрузки, сообщаемой привешенным к коромыслу грузом. Эта нагрузка действует в течение определенного времени, обычно 10-60 с, в зависимости от твердости измеряемого материала, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2против часовой стрелки, опускают столик прибора и затем снимают образец.
В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Диаметр отпечатка змеряют с точностью до 0,05 мм (при вдавливании шарика диаметром 10 и 5 (мм) в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.
Число твердости по Бринеллю НВ вычисляют по уравнению:
где Р — нагрузка на шарик, кг · с (1кг · с – 0,1 Мпа); D — диаметр вдавливаемого шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм. Получаемое число твердости при прочих равных условиях тем выше, чем меньше диаметр отпечатка.
Однако получение постоянной и одинаковой зависимости между Р и d, необходимое для точного определения твердости, достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т. е. с разной нагрузкой для одного и того же материала, не соблюдается закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатка.
Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток с диаметром близким к диаметру шарика. Поэтому твердость материалов измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Ри квадратом диаметра шарика D 2 . Это соотношение должно быть различным для материалов разной твердости.
В процессе вдавливания наряду с пластической деформацией измеряемого материала происходит также упругая деформация вдавливаемого шарика. Величина этой деформации, искажающей результаты определения, возрастает при измерении твердых материалов. Поэтому испытания вдавливанием шарика ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (для стали с твердостью не более НВ = 450).
Известное влияние оказывает также длительность выдержки металла под нагрузкой. Легкоплавкие металлы (свинец, цинк, баббиты), имеющие низкую температуру рекристаллизации, испытывают пластическую деформацию не только в момент вдавливания, но и в течение некоторого времени после приложения нагрузки. С увеличением выдержки под нагрузкой пластическая деформация этих металлов практически стабилизируется.
Для металлов с высокими температурами плавления влияние продолжительности выдержки под нагрузкой незначительно, что позволяет применять более короткие выдержки (10-30 с).
При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками на практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диаметра отпечатка и соотношения между нагрузкой Ри поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика.
Между пределом прочности и числом твердости НВ различных металлов существует следующая зависимость:
Черчение
Любое изделие должно обладать основными категориями качества: надежностью, прочностью и жесткостью в работе.
Надежность (по ГОСТ 27.002-89) — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в определенных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств как для объекта, так и для его частей.
Надежность не касается требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные показатели*, например повреждение окраски и т. д.
Таким образом, надежность характеризуется показателями, которые выявляются в процессе эксплуатации и позволяют судить о том, насколько изделие оправдывает надежды его изготовителей и потребителей.
Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность** в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Это свойство очень важно для машин и механизмов, входящих в комплексные системы, где даже временная остановка одного звена может вызвать сбой в работе всей автоматизированной линии.
Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние изделия характеризуется невозможностью дальнейшей его эксплуатации, снижением эффективности или безопасности. Основным показателем долговечности деталей, сборочных единиц и агрегатов служит технический ресурс — наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до наступления предельного состояния, оговоренного в стандартах или технических условиях на изделие.
Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования.
Прочность — один из основных критериев работоспособности изделия, обусловливаемой циклическими и контактными напряжениями. Отсюда принято различать циклическую прочность и контактную прочность.
Детали, подвергающиеся длительной переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях, значительно меньших предела прочности материала при статическом нагружении. Особенно большое внимание при конструировании машин уделяется так называемым знакопеременным нагрузкам, которые много раз подряд меняют направление своего действия и «изматывают» или утомляют металл.
Детали машин, обладающие в обычных условиях нагружения хорошими эксплуатационными качествами, при знакопеременной нагрузке могут разрушаться от усталости без видимых деформаций так, как будто они выполнены из хрупкого материала.
Усталость металла — изменение состояния металла в результате многократного (циклического) деформирования, приводящее его к прогрессирующему разрушению. Если проанализировать процесс разрушения детали от действия переменных напряжений, то можно выделить две его фазы: образование микротрещины, а затем ее дальнейшее развитие до полного разрушения образца. Протекание первой фазы связано со структурными особенностями материала, состоянием поверхности и амплитудой цикла. Во второй фазе сохраняют влияние структурные особенности и амплитуда цикла, но вступают в силу новые факторы, такие, как размеры и форма детали и законы распределения напряжений по ее объему.
Статистика показывает, что до 80% поломок и аварий при эксплуатации машин связано с усталостными явлениями. Поэтому проблема усталостной прочности является важнейшей для повышения надежности и долговечности машин. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, то есть наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения заданное число раз (для стали — 5 млн. циклов, для легких литейных сплавов — 20 млн. циклов).
Наиболее явно циклические нагрузки выражены в машинах и механизмах с возвратно-поступательным движением (поршневые машины, шатунно-кривошипные группы, кулачковые механизмы).
Во всех зубчатых передачах зубья колес подвержены циклическим нагрузкам. Валы, работающие под нагрузкой постоянного направления (валы зубчатых, ременных и цепных передач), также подвергаются циклическому нагружению.
Диаграмма сравнительной характеристики усталостной прочности для различных соединений типа «вал — ступица», характеризующая выносливость валов при циклическом кручении в зависимости от конструкции соединения, представлена на рис. 60.
Анализ причин, определяющих степень снижения усталостной прочности валов в рассматриваемых соединениях, свидетельствует о значительном влиянии конструктивных особенностей подступичной части вала и формы ступицы на распределение контактных давлений. Изучение характера поломок деталей машин показало, что на их долговечность влияют главным образом форма и способы обработки. Остановимся на этом более подробно. Установлено, что прочность деталей машин существенно отличается от прочностных характеристик материалов, из которых эти детали были изготовлены. Наглядное представление об этом дает диаграмма (рис. 61).
Если принять прочность образца из данного материала при испытании на разрыв за 100%, то предел выносливости образца составит 55. 72%, а прочность деталей в зависимости от формы и типа соединений составит всего 7. 24%. На диаграмме в процентах по сравнению с прочностью образца при разрыве представлена прочность деталей: сложной формы 2, 3,4 и 5, соединения типа «вал — ступица» 7, 8 и 9, соединений болтового, заклепочного и сварного 1,6,10 и 11, представляющих наиболее типичные случаи конструктивного исполнения деталей и соединений.
Усталостная прочность деталей резко падает при наличии ослаблений, резких переходов, острых углов, поднутрений и т. п., вызывающих местную концентрацию напряжений. Зоны концентрации напряжений (у краев отверстий, в выкружках, во входящих углах и т. д.) наиболее перегружены и служат местами начала пластической деформации или разрушения.
Степень концентрации напряжений зависит от вида концентраторов, состояния поверхности и размеров детали, материала детали, его химического состава и однородности, термообработки, механической прочности, характера рабочего цикла детали.
Среди концентраторов напряжений (рис. 62) различают геометрические (концентраторы формы) и технологические (концентраторы, появление которых связано с нарушением структурообразования материала при изготовлении изделия).
Основными источниками геометрической концентрации напряжения на валах и осях служат их ступенчатая форма, выточки, поперечные отверстия, шпоночные канавки, шлицы и т. д. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переход, тем выше местное напряжение.
Технологические концентраторы напряжения в деталях, подвергающихся механической обработке, возникают в результате перерезания волокон при обработке заготовки давлением. В литых деталях участки перехода часто бывают ослаблены такими литейными дефектами, как микротрещины, пористость, воздушные раковины и т. д. У кованых и штампованных деталей участки перехода в изгибах имеют пониженную прочность вследствие вытяжки металла на этих участках.
Примеры появления очагов концентрации напряжений на деталях приведены на рис. 63.
Грубые риски, оставшиеся после обработки на поверхности впадины шпоночного паза 1, между зубьями шестерни, вызывают появление постепенно растущих трещин усталости. Изломы валов чаще всего происходят в участках резкого перехода от большого диаметра к меньшему III (типа лысок и отверстий — IV, V), выполненному без галтели. В этом случае в местах грубых рисок, острых углов и местах резких переходов происходит сосредоточение (концентрация) напряжений, приводящих к поломке деталей. Отсюда можно сделать вывод, что при конструировании деталей следует избегать острых углов в ее конфигурации.
При статической нагрузке величина концентрации напряжения зависит от степени пластичности материала. У пластичных материалов явление концентрации напряжения выражено слабо. При повышении напряжения в зоне ослабления такие материалы переходят в состояние текучести. Хрупкие материалы при переходе местных напряжений за предел прочности разрушаются.
При циклических нагрузках явление концентрации напряжений выражено значительно сильнее.
На практике повышение усталостной прочности деталей достигают как технологическими, так и конструктивными способами.
К технологическим способам относятся термическая и химико-термическая обработка сталей, дробеструйная обработка и накатывание деталей роликами, алмазное выглаживание (уплотнение поверхности скругленным алмазным инструментом), ультразвуковое упрочнение и т. д. Например, накатывание резьб повышает прочность детали в 1,5. 2 раза и практически устраняет концентрацию напряжений у основания резьбы.
Конструктивные способы повышения усталостной прочности деталей не всегда полностью могут устранить концентраторы напряжений. В таких случаях стремятся заменить резкие концентраторы умеренно действующими.
С целью повышения усталостной прочности переходных участков валов уменьшают перепад диаметров и вводят галтели, эффективность которых зависит от величин их радиусов. Для больших перепадов диаметров рекомендуется брать R/d 5>= 0,1, для малых перепадов — R/d = 0,05. 0,08 (рис. 64,I).
Эллиптические галтели (рис. 64, II) обеспечивают при одинаковых перепадах диаметров относительно большее (примерно на 20%) увеличение прочности. Эффективность таких галтелей зависит от отношения большой полуоси b эллипса к диаметру вала d. Чем больше b/d и а/b, тем ниже коэффициент концентрации напряжения.
Введение эллиптических галтелей сокращает длину цилиндрической части вала, что не всегда желательно (например, в случае установки насадных деталей).
Концентрация напряжений возникает и в поверхностном слое металла при контактном нагружении, когда сила действует на весьма ограниченном участке поверхности. Этот вид нагружения чаще всего встречается при соприкосновении сферических и цилиндрических тел с плоскими, сферическими или цилиндрическими поверхностями.
В зоне соприкосновения образуется плоская площадка, размеры которой зависят от упругости материала и формы сжимаемых тел.
Усталостное разрушение (питтинг), обусловленное периодически изменяющимися контактными напряжениями, сопровождается отслаиванием и выкрошиванием крупных частиц металла, в результате чего сочленение, как правило, выходит из строя. Характерным примером такого разрушения служит питтинг рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес. Концентрация напряжений возникает на участках зубьев, близких к начальной окружности.
При конструировании сферических и цилиндрических сочленений, несущих высокие нагрузки, следует учесть, что соприкасающиеся детали должны быть закалены до твердости не ниже HRC60. 62 и поверхностью, обработанной не ниже параметра шероховатости Rа0,080.
С целью уменьшения контактных напряжений в тех случаях, когда это допускают условия работы сочленения, детали, воспринимающие нагрузку, следует помещать в гнезда, имеющие диаметр, близкий к диаметру детали (D/d = 1,01. 1,02).
Пример последовательного упрочнения сферического сочленения приведен на рис. 65. Наиболее выгодна конструкция со сферой большого диаметра, расположенной в сферическом гнезде (рис. 65, III).
Другим примером может служить сочленение двух рычагов при помощи цилиндрического пальца,закрепленного в одном из рычагов и скользящего в проушине другого. Конструкция на рис. 66, I нерациональна, так как линейный контакт на поверхности трения приводит к быстрому изнашиванию поверхности проушины пальцем. В рациональной конструкции (рис. 66, II) на палец надет сухарь, скользящий боковыми гранями в проушине рычага. Здесь контакт между пальцем и отверстием сухаря, а также между гранями сухаря и проушиной поверхностный, что резко повышает долговечность сочленения.
При конструировании машины, механизма конструктор всегда стремится соблюдать принцип равнопрочности.
Равнопрочными называются конструкции, детали которых имеют одинаковый запас прочности на всех участках по отношению к действующим на них нагрузкам.
Формы деталей, требуемые по условию равнопрочности, часто технологически трудно выполнимы, и поэтому их приходится упрощать. Кроме того, почти во всякой детали имеются такие дополнительные элементы, как цапфы, буртики, канавки, выточки, проточки, резьбы, вызывающие местное усиление, а чаще концентрацию напряжений и местное ослабление детали.
По всем этим причинам понятие равнопрочности деталей относительно. Конструирование равнопрочных деталей практически сводится к приблизительному воспроизведению форм, диктуемых условием равнопрочности, при всемерном уменьшении влияния всех источников местной концентрации напряжений.
На рис. 67,I изображен фланцевый вал со шлицами. Участки A,B и C такого вала, нагруженного постоянным крутящим моментом, неравнопрочны. Наиболее значительны напряжения на участке А детали, где имеются шлицы. Менее значительны напряжения на участке С и еще меньше — на участке В между фланцем и шлицами, где толщина стенок полого вала достигает наибольшей величины. После расчета на постоянство момента сопротивления кручению на всех участках вала пришли к более равнопрочной конструкции (рис. 67, II).
Большое значение для прочности деталей при прочих равных условиях имеет правильный выбор материала. По величине прочностных и деформационных характеристик судят о пригодности материала для тех или иных целей.
Одним из основных факторов, определяющих работоспособность конструкции и имеющих такое же, если не большее значение для надежности, как и прочность, является жесткость.
Жесткость — это способность детали или системы сопротивляться образованию деформации. Для машиностроения можно сформулировать следующее определение: жесткость — это способность изделия сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособности изделия.
Жесткость оценивают коэффициентом жесткости ?р, представляющим собой отношение силы F, приложенной к изделию, к максимальной деформации f, вызываемой этой силой.
Для простейшего случая растяжения — сжатия бруса постоянного сечения в пределах упругой деформации — коэффициент жесткости согласно закону Гука определяют по формуле ?р = F/f = ES/l;
где: ?р — коэффициент жесткости;
f — максимальная деформация;
Е — модуль нормальной упругости материала;
S — сечение бруса;
На жесткость изделий сильно влияют размеры и форма сечений. В изделиях, состоящих из многих отдельных деталей, жесткость зависит также от жесткости сочленения отдельных деталей. Наличие зазоров в сопрягаемых деталях приводит к появлению деформаций, иногда во много раз превосходящих собственные упругие деформации элементов конструкции. В этом случае эффективными способами увеличения жесткости являются силовая затяжка сочленения, посадка с натягом, увеличение опорных поверхностей и придание деталям повышенной жесткости на участках сопряжения.
Для увеличения жесткости изделий применяют следующие основные способы:
всемерное устранение изгиба, как невыгодного по жесткости и прочности вида нагружения, замена его сжатием и растяжением;
целесообразную расстановку опор для деталей, работающих на изгиб, исключение невыгодных по жесткости видов нагружения;
рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы усиление участков перехода от одного сечения к другому;
для деталей коробчатого типа — применение скорлупных, сводчатых, сферических и эллипсных форм.
Рассмотрим несколько примеров увеличения жесткости конструкций.
1. Сравним конструкции литых кронштейнов. Балочный кронштейн (рис. 68,I) под воздействием внешних сил подвергается изгибу. Как известно, в случае изгиба нагружены преимущественно крайние волокна сечения. Предел нагружения наступает, когда напряжения в них достигают опасных значений, в то время как сердцевина остается недогруженной. Кронштейн ферменного типа (рис. 68, II) несколько более жесток, чем предыдущий, но так как верхний горизонтальный стержень его для ограничения деформации не используется, то по жесткости он значительно уступает раскосному кронштейну (рис. 68, III). В этом кронштейне условия работы стержней видоизменены, они работают преимущественно на растяжение — сжатие. При растяжении — сжатии напряжения одинаковы по всему сечению; материал используется полностью. Кроме того, при растяжении — сжатии величина нагрузки не зависит от длины детали, что имеет место в случае изгиба. Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемычкой (рис. 68, IV).
2.На примере клеммового соединения видно, что в первой конструкции (рис. 69, I) ушки клеммы при затяжке болтового соединения будут сгибаться, поэтому силовая затяжка невозможна. Если немного изменить конструкцию: усилить клемму, приблизить стяжной болт к валу — станет возможна силовая затяжка (рис. 69, II). Это означает резкое повышение жесткости конструкции.
3. На рис. 70 показан клапан двигателя внутреннего сгорания. В первом случае (рис. 70, I) тарелка клапана конструктивно оформлена нежестко, так как слаба связь между штоком и тарелкой. Во втором случае (рис. 70, II) тарелка имеет тюльпанообразную форму, что придает штоку и тарелке более массивную связь: на ободе тарелки образован пояс жесткости.
4. Наибольшей продуманности с точки зрения обеспечения высокой жесткости требуют оболочковые конструкции (например, самолеты, ракеты и т. д.). Увеличение габаритов и уменьшение толщины стенок в них выдвигают на первый план задачу повышения радиальной жесткости и предупреждения потери устойчивости конструкций под действием нагрузок. Для придания деталям высокой жесткости применяют ребра различной конструктивной разновидности (рис. 71).
На рис. 72 показан корпус головной части ракеты с оребрением внутренней части.
Читайте также: