Механические свойства конструкционных материалов РЭА

1. Статическая прочность

Статическая прочность может быть определена как способность к сопротивлению кратковременной термической постоян- ной нагрузке при умеренных температурах без разрушения, дробления или тяжелых чрезмерных деформаций. Если компонент подвергается воздействию напряжения по одной оси, то за предел текучести принимается обычно измеренная прочность, если материал пластичный, и предел прочности на растяжение, если он хрупкий. Измеренная статическая прочность, таким образом, есть предел текучести, пробное напряжение, предел прочности на растяжение, прочность на сжатие и твердость (твердость материала, отнесенная к пределу прочности на растяжение материала).

Если компонент подвергается воздействию напряжения по двум или трем осям, например корпус подвергается внешнему давлению, в этом случае используются теоретические значения для предсказания разрушения материала. Теория максимальных главных напряжений, которая чаще применяется к хрупким материалам, предсказывает разрушение как неминуемое, если главное максимальное напряжение достигает значения предела прочности на растяжение или значения предела упругости, когда материал подвергается простому растяжению.

Теория максимальных срезающих напряжений применяется для пластичных материалов, при этом предполагается, что разрушение произойдет, если максимальное срезающее напряжение, приложенное по двум или трем осям, достигает значе- ния максимального срезающего напряжения у материала при напряжении предела упругости в случае простого растяжения. В случае напряжения, приложенного по двум осям, разрушение будет тогда, когда разность между двумя главными напряжениями будет равна пределу упругости.

Другая теория, которая применяется к пластичным материалам, предсказывает, что разрушение будет тогда, когда энер- гия деформации единицы объема будет равна энергии деформации при пределе упругости для элементарного одноосного растяжения.

Следует признать, что на прочность какого-либо составного элемента влияет не только статическая прочность материала, но также тип конструкции. Так, например, при изгибании двутавровая балка (с широкими полками) будет более прочной, чем балка прямоугольного сечения, поскольку материал в двутавровой балке сконцентрирован на верхней и донной поверхностях, где напряжения выше, и не расходуется бесполезно там, где напряжения ниже. Тонкую оболочку или поверхностный слой можно упрочнить с помощью ребер жесткости или рифлением.

Для большинства пластичных ковких материалов механические свойства при сжатии достаточно близки к тем же свойствам при растяжении, и для упрощения при оценке свойств используется предел прочности на растяжение в обоих случаях - при растяжении и при сжатии. Металлы в литейном исполнении, однако, могут быть крепче при сжатии, чем при растяжении. Хрупкие материалы, такие как керамики, в основном также крепче при сжатии, чем при растяжении. Есть некоторые материалы, у которых имеется значительная анизотропия, т.е. их свойства зависят от направления измерения. Это можно наблюдать, например, у ковких материалов, у которых имеются вытянутые включения, и в результате обработки они становятся ориентированными в некотором направлении, или в композитных материалах, содержащих одинаково направленные волокна.

Механические свойства металлов претерпевают очень существенные изменения при обработке, будь то тепловая обра- ботка или деформация.Таким образом, невозможно сравнивать сплавы иначе, чем в терминах предела прочности на растяжение. На свойства полимерных материалов сильно влияют добавки, введенные в нормальный состав, и тоже возможно только грубое сравнение механических свойств различных полимеров. Имеется также проблема и с термопластами в том, что даже при 20°С они могут показывать значительную ползучесть. Также их прочность очень сильно зависит от времени. Неармированные термопласты имеют низкую прочность по сравнению с большинством металлов, однако у них низкая плотность, и вследствие этого их прочность по отношению к массе вполне приемлема.

В таблице 1 приведены пределы прочности на растяжение ряда материалов, все данные указаны для температуры порядка 20°С. В таблице 2 даны типичные характерные прочности материалов, т.е. прочности на растяжение или пределы текучести, деленные на плотность материалов (прочность на единицу массы).

Таблица 1 - Прочность материалов

МатериалПрочность, МПа
Полимерные пены<10
Древесины, перендикулярные структуре2-12
Эластомеры2-12
Древесины, параллельные структуре6-100
Бетон20-60
Свинцовые сплавы20-60
Технические полимеры60-100
Магниевые сплавы80-300
Цинковые сплавы160-400
Алюминиевые сплавы100-600
Медные сплавы80-1000
Углеродистые и низколегированные стали250-1300
Никелевые сплавы250-1500
Технические композиты100-1800
Высоколегированные стали500-1800
Технические керамики1000-10000 и более

Таблица 2 - Характерная прочность материалов при 20оС

МатериалПлотность, Мг/м3 или 1000 кг/м3Прочность, отнесенная к плотности, МПа/( Мг*м-3)
Алюминиевые сплавы2,6-2,940-220
Медные сплавы7,5-98-110
Свинцовые сплавы8,9-11,31-3
Магниевые сплавы1,940-160
Никелевые сплавы7,8-9,230-170
Титановые сплавы4,3-5,140-260
Цинковые сплавы5,2-7,230-60
Углеродистые и низколегированные сплавы7,830-170
Высоколегированные сплавы7,8-8,160-220
Технические керамики2,2-3,9>300
Стекла2-3200-800
Термопластики0,9-1,615-70
Полимерные пены0,04-0,70,4-12
Технические композиты1,4-270-900
Бетон2,4-2,58-30
Древесина0,4-1,85-60

2. Жесткость

Жесткость можно определить как способность материала сопротивляться прогибанию под действием нагрузки. Так, если мы рассмотрим кронштейн длиной L с точечной нагрузкой F на его свободном конце, то прогиб у на свободном конце будет

y=FL33EI,

где Е — модуль растяжения, I — момент инерции поперечного сечения балки относительно нейтральной точки оси.

Получаем, для данного профиля и длины кронштейна чем больше модуль растяжения, тем меньше прогиб. Аналогичные соотношения существуют и для других форм балок. Следовательно, можно утверждать, что, чем больше модуль растяжения, тем больше жесткость. Величина прогиба балки является функцией обоих параметров: Е и I. Таким образом, для данного материала балка может быть сделана жестче при увеличении ее момента инерции. Это происходит при расположении большей части материала, насколько это вообще возможно, подальше от оси изгиба. Так, двутавровый профиль - особенно действенный путь достижения жесткости. Рассуждая подобным образом, приходим к выводу: материал в форме трубы имеет большую жесткость, чем в форме сплошного стержня.

Другая ситуация, которая относится тоже к величине EI, будет при короблении колонн под действием сжимающих нагрузок. Типовое уравнение, применяемое для коробления, справедливо для колонны длиной L, если нагрузка F достигает значения

F=π2EIL2.

Это уравнение Эйлера. Чем больше значение EI, тем выше нагрузка, требуемая для появления коробления. Следовательно, колонна тем жестче, чем выше значение EI. Заметим, что короткая и толстая колонна скорее окажется раздавленной, когда предел текучести слегка превышен, чем покоробленной. Для тонкой колонны коробление более вероятно.

Модуль упругости при растяжении металла незначительно изменяется при изменении его состава или тепловой обработки. Однако модуль упругости при растяжении композитных материалов очень сильно изменяется при изменении ориентации волокон и относительного их количества. В таблице 3 приведены типичные значения модулей упругости при растяжении для материалов при 20°С.

Таблица 3 - Модули упругости при растяжении различных материалов

МатериалМодуль упругости при растяжении, ГПа
Полимерные пены<0,2
Эластомеры<0,2
Древесины, параллельные структуре0,2-10
Технические полимеры0,2-10
Древесины, перендикулярные структуре2-20
Свинцовые сплавы10-11
Бетон20-50
Магниевые сплавы40-45
Стекла80-80
Алюминиевые сплавы70-80
Цинковые сплавы43-96
Титановые сплавы110-125
Медные сплавы100-160
Стали200-210
Технические керамики80-1000

3. Сопротивление усталости

Разрушение элемента, когда он подвержен флуктуирующим нагрузкам, является следствием трещин, которые появляются в результате деформации материала и растут до тех пор, пока не произойдет разрушение. Главные факторы, воздействующие на усталостные свойства, - это концентрация напряжений, обусловленных конструкцией элемента, коррозия, остаточные напряжения, поверхностная финишная обработка, температура, микроструктура сплава и его тепловая обработка. Только при ограниченной длине материала можно выбрать материал с определенным сопротивлением усталости.

В основном для металлов предел усталости, или предел выносливости, составляет примерно 107... 108 циклов или 0.33...0.5 статического предела прочности на растяжение. Для сталей предел усталости имеет типичное значение 0.4...0.5 статической прочности. Включения в сталь, такие как сера или свинец, увеличивают ее обрабатываемость на станках, но могут уменьшать предел усталости. Для серого литейного чугуна предел усталости составляет около 0.4 статической прочности, для сфероидальных и ковких чугунов он находится в диапазоне 0.5, для ферритовых сортов - до 0.3, для высокой прочности перлитовых чугунов, для черносердечных, белосердечных и низкой прочности перлитовых ковких чугунов — около 0.4. У алюминиевых сплавов предел выносливости составляет примерно 0.3...0.4 статической прочности, а для медных сплавов — 0.4...0.5.

Эффекты усталости у полимеров осложнены тем обстоятельством, что альтернативой действиям нагрузки в полимере становится нагрев. Он является причиной уменьшения модуля эластичности, а при достаточно высоких температурах может возникнуть также расширение, что вызовет разрушение. Таким образом, усталость в полимерах очень сильно зависит от температуры.

4. Ударная вязкость

Ударную вязкость можно определить как оказание материалом сопротивления разрушению. Вязкий материал сопротивляется распространению трещин. Ударную вязкость измеряют двумя основными методами: при первом - определяют сопротивление материала ударной нагрузке в испытаниях Шарли или Изода при количестве энергии, достаточной для излома образца, а при втором - определяют сопротивление материала распространению существующей уже трещины при испытании прочности на растяжение. Измерения проводят экспериментально на образце с надрезом с заранее созданной на дне надреза усталостной трещиной. При этом фиксируют усилие в момент подрастания трещины на некоторую длину и перехода ее к нестабильному распространению и рассчитывают вязкость разрушения для плоской деформации растяжением чем ниже это значение, тем меньше вязкость материала. В таблице 4 приведены типичные величины вязкости разрушения К для плоской деформации растяжения при 20°С.

Таблица 4 - Вязкость разрушения для плоской деформации растяжением при 20°С

МатериалВязкость разрушения для плоской деформации растяжением, МПа*м1/2
Полимерные пены<1,0
Древесины, перендикулярные структуре0,07-0,9
Бетон0,1-3
Стекла0,3-0,6
Технические полимеры0,5-10
Древесины, параллельные структуре1-10
Технические керамики2-10
Литейные чугуны7-11
Магниевые сплавы10-11
Алюминиевые сплавы10-60
Технические композиты10-10
Стали20-150
Медные сплавы50-110
Титановые сплавы60-110
Никелевые сплавы60-110

У конкретного типа металлического сплава имеется обратная пропорциональность между пределом текучести и ударной вязкостью: чем выше предел текучести, тем ниже вязкость. Так, например, если предел текучести низколегированного сплава, закаленных и отпущенных сталей поднять выше металлургическими способами, вязкость уменьшится. Стали становятся менее вязкими с увеличением содержания в них углерода и увеличением размера зерна.

Вязкость пластиков возрастает при включении в них каучука или другого более вязкого полимера, при сополимеризации или включении тягучих волокон. Например, стирол-акрилонитрил (SAN) является хрупким и далек от вязкого состояния. Его можно, однако, сделать более вязким с помощью полибутадиенового каучука, получится более вязкий акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS).

5. Ползучесть и температурное сопротивление

Сопротивление ползучести металла может быть улучшено при включении в него тонкодисперсных частиц, препятствующих движению дислокаций. Сплавы серии Нимоник, основанные на сплаве никель-хром 80/20, имеют хорошее сопротивление ползучести как следствие наличия в них тонких преципитатов, сформированных при включении малого количества титана, алюминия, углерода или других элементов. Ползучесть увеличивается, если увеличивается температура, т.е. она является основным фактором в определении температуры, до которой могут эксплуатироваться материалы. Другим фактором, оказывающим влияние на материалы, служит окружающая атмосфера. Она может воздействовать на поверхность и приводить к образованию окалины, которая постепенно сокращает площадь поперечного сечения компонента и, следовательно, ослабляет его способность переносить нагрузки. Эти эффекты усиливаются при увеличении температуры. Сплавы серии Нимоник обладают большим сопротивлением такому воздействию и могут использоваться до 900°С.

Для большинства металлов ползучесть существенна при высоких температурах. У пластиков ползучесть может быть значительной уже при комнатной температуре. Обычно термореакги-вы имеют температурное сопротивление выше, чем термопласты, однако добавкой соответствующих волокон и наполнителей можно улучшить температурные свойства и термопластов.

В таблице 5 указаны для ряда материалов типичные температурные диапазоны, в пределах которых они могут применяться.

Таблица 5 - Температурные диапазоны применения материалов

Предельная температура, oCМатериал и температурные условия примнения
От комнатной до 150 Немногие термопласты рекомендуются для длительного применения при температурах выше 100°С. Нейлон со стеклянными волокнами может, однако, использоваться до 150°С. Техническим металлом, применение которого ограничено этим диапазоном, является только свинец
150-400 Магниевые и алюминиевые сплавы могут, в основном, применяться до 200°С, некоторые жесткие особые сплавы - до более высоких температур. Например, алюминиевый сплав LM13(ААЗЗ6.0) используется для пистонов в машинах и в экспериментах от 200 до 250°С, в то время как некоторые литейные алюминиевые бронзы употребляются до 400°С, ковкие алюминиевые бронзы - примерно до 300°С. Не содержащие добавок углеродистые и марганцево-углеродистые стали широко применяются в этом же диапазоне температур
400-600 Не содержащие добавок углеродистые и марганцево-углеродистые стали не могут применяться при температурах выше 400-450°С. При таких температурах используются низколегированные стали. Для температур выше 500°С может употребляться сталь с содержанием углерод - 0.5% Мо, выше 525°С - сталь 1% Cr—0.5% Мо, выше 550°С — сталь 0.5% Cr—Mo—V и выше 600°С - сталь 5-12% Cr. Титановые сплавы также широко применяются в этом температурном диапазоне, α-β-сплав 6% А1—4% V (IMI318) применяется выше 450°С. Ближний α-сплав - до высоких температур, например сплав IMI 829 при температуре до 600°С
600-1000 Широко применяются в этом температурном интервале металлы, аустенитные нержавеющие стали, сплавы Ni-Cr и Ni-Cr-Fe и сплавы на основе кобальта. Аустенитные нержавеющие стали с 18% Cr-8% Ni могут применяться примерно до 750°С. Ряд высокотемпературных сплавов, базирующихся на основе никель-хром, способны сохранять свою прочность, сопротивление ползучести и окислению при высоких температурах, например сплавы серии Нимоник, такие как Нимоник 90, который может использоваться до 900°С, Нимоник 901 - до 1000°С. Другие серии высокотемпературных сплавов - Ni-Cr-Fe, такие как Инконель и Инколой серий. Например, Инконель 600 может работать до 1000°С, а Инколой 800Н - до 700°С. Свыше 1000 материалов, которые могут употребляться при температурах свыше 1000°С, тугоплавкие металлы: молибден, ниобий, тантал и вольфрам, а также керамики. Тугоплавкие металлы и их сплавы могут применяться при температурах свыше 1500°С. Защита поверхности - одна из главных проблем использования этих сплавов при высоких температурах. У керамик возникают проблемы с твердостью, хрупкостью и уязвимостью к термическому удару. Глинозем применяется в печах примерно до 1600°С, нитрид кремния - до 1200°С и карбид кремния - до 1500°С