Удельная прочность

Удельные показатели прочности

Выгодность материалов по массе можно оценить с помощью удельных показателей, характерных для каждого типа нагружения.

Растяжение-сжатие. Масса деталей, испытывающих растяжение или сжатие, при прочих равных условиях (одинаковая длина деталей; одинаковая нагрузка)

где F — площадь сечения детали; γ — плотность материала.

Площадь сечения обратно пропорциональна действующему напряжению:

Для равнопрочных деталей запас прочности

откуда

Подставляя это выражение в формулу (39), получаем m = γ/σв. Фактор σв/γ, называемый удельной прочностью, характеризует выгодность по массе материала при растяжении-сжатии.

Современная практика конструирования отходит от оценки прочности по разрушающему напряжению σв, так как задолго до разрушения деталь выходит из строя в результате значительных пластических деформаций.

Оказался некорректным и другой расчетный критерий — предел упругости (напряжение, при котором не возникают остаточные деформации не более заданного наперед значения и деталь после снятия нагрузки практически принимает первоначальную форму). Точные испытания показывают, что остаточные деформации, хотя и очень незначительные, появляются на первых же стадиях нагружения. По мере увеличения точности испытаний измеренные пределы упругости непрерывно уменьшаются, стремясь к нулю. Кроме того, предел упругости зависит от условий испытания, в частности, от продолжительности выдержки под нагрузкой, резко снижаясь с ее увеличением. При длительной выдержке остаточные деформации обнаруживаются при самых малых напряжениях.

Следовательно, закон Гука только приблизительно описывает поведение металла под нагрузкой и то лишь при статическом и кратковременном нагружении. Тем не менее им продолжают пользоваться в качестве привычной, удобной и для практических целей достаточно точной аппроксимации.

В этих обстоятельствах наиболее разумным представляется избрать критерием статической прочности напряжение, при котором возникают остаточные деформации достаточно малые, чтобы не нарушать работоспособность детали в средних условиях применения, и достаточно большие, чтобы допускать уверенный их замер при испытаниях рядовой точности. В качестве такого показателя чаще всего применяют условный предел текучести σ0,2, представляющий собой напряжение, вызывающее в испытуемом образце при разовом и кратковременном нагружении остаточную деформацию 0,2%. Если необходима повышенная точность, то применяют показатели σ0,02 и σ0,002 (предел текучести при остаточных деформациях соответственно 0,02 и 0,002%).

Предел текучести не пропорционален σв. Величины σ0,2 для различных материалов составляют (0,5-0,95)σв. Поэтому правильнее характеризовать удельную прочность не фактором σв/γ, а фактором σ0,2/γ (удельный предел текучести).

Факторы удельной прочности поддаются наглядной интерпретации. Представим себе свободно висящий брус произвольного, но постоянного сечения заделанный одним концом (рис. 90) и нагруженный только собственной массой.

Опасным является сечение а-а, в котором действует полная сила тяжести (вес)

где F — площадь сечения: L — длина бруса; γ — плотность материала, бруса; g — ускорение силы тяжести.

Напряжение растяжения в этом сечении σ = G/F или с учетом формулы (41)

Напряжение достигает предела прочности на разрыв (σ = σв) при определенной длине Lp бруса (разрывной длине), равной по формуле (42),

Эта величина совпадает с удельной прочностью материала. Если принять σв в Н/м2, g в м/с2, а γ в кг/м3, то длина Lp выражается в метрах. Аналогично выражается и Lт, которая представляет собой длину свободно подвешенного бруса при которой напряжения в опасном сечении достигают предела текучести.

Перемещение свободного конца бруса (полная вытяжка)

Так как G = FLγg, L = σ/γg, то при L = Lт, и σ = σ0,2

где σ0,2 — в Па, а γ — в кг/м3.

Величина fт характеризует податливость и сопротивляемость материала ударным нагрузкам.

Изгиб и кручение. Для случая изгиба и кручения критерием рациональности по массе материала является отношение σ2/3/γ, где σ — разрушающее напряжение для данного вида нагрузки (σв для изгиба и τв для кручения).

Ввиду того что оценка выгодности по массе является приближенной, обычно для сравнения всех видов нагружения пользуются наиболее простыми по структуре факторами, соответствующими случаю растяжения-сжатия.

Ударные нагрузки. Способность сопротивляться действию ударной нагрузки характеризуется работой U упругой деформации. При растяжении бруса постоянного сечения F и длиной L

Величина U при напряжении σ, равном пределу упругости σр, характеризует способность поглощать энергию удара в пределах деформаций

Разделив эту величину на G = FLγg, получаем удельный показатель

Этот фактор, называемый удельной динамической прочностью, характеризует выгодность по массе материала в условиях ударных нагрузок.

Для ориентировочного сравнения предел упругости можно заменить пределом текучести σ0,2. Тогда

Это выражение совпадает с выражением (44) полной вытяжки fт свободно подвешенного бруса длиной Lт, при которой напряжения в опасном сечении достигают предела текучести.

Сравнительная оценка по массе конструкционных материалов. В табл. 17 приведены значения γ, σв, σ0,2, Е основных конструкционных материалов и удельные характеристики, подсчитанные по верхним значениям σв и σ0,2.

На рис. 91, а дана обобщенная диаграмма σв/γ и σ0,2/γ в функции σв (черные точки — максимальные значения σв/γ, светлые — σ0,2/γ).

Для сравнения даны значения σв/γ для сверхпрочной композиции из графитных усов в алюминиевой матрице с σв = 5000 МПа (вдоль волокон), γ = 3,6·103 кг/м3 и Lp = 190 км (выходит за пределы диаграммы). Показатели динамической прочности в функции σ0,2 приведены на рис. 91, б.

Следует подчеркнуть, что выбор материала зависит не только от прочностно-массовых характеристик, но и назначения и условий работы детали. При выборе материала учитывают присущие ему жесткость, твердость, вязкость, пластичность, технологические характеристики (обрабатываемость, штампуемость, свариваемость), износостойкость, коррозиестойкость, жаростойкость и жаропрочность (для деталей, работающих при повышенных температурах). Важную роль играет стоимость материала, отсутствие в нем дорогих и дефицитных компонентов.

Наибольшей универсальностью при высоких прочностно-массовых показателях обладают стали, свойства которых можно менять в широких пределах легированием, термической, химико-термической и термомеханической обработкой. Это делает стали наиболее распространенным материалом для изготовления нагруженных деталей.

Теми же свойствами гибкости и высокими прочностно-массовыми показателями обладают титановые сплавы, хотя по технологическим характеристикам (обрабатываемость) они уступают сталям.

Удельная прочность при растяжении

Удельная прочность при растяжении

«…171) удельная прочность при растяжении — предел прочности при растяжении, выраженный в паскалях (что соответствует [Н/м2]), деленный на удельный вес в [Н/м3], измеренные при температуре (296 +/- 2) К (что соответствует (23 +/- 2) `C) и относительной влажности (50 +/- 5)% (категория 1);…»

Источник:

Указ Президента РФ от 17.12.2011 N 1661 «Об утверждении Списка товаров и технологий двойного назначения, которые могут быть использованы при создании вооружений и военной техники и в отношении которых осуществляется экспортный контроль»

Официальная терминология. Академик.ру. 2012.

Смотреть что такое «Удельная прочность при растяжении» в других словарях:

• Каучук натуральный — полимер растительного происхождения, вулканизацией (См. Вулканизация) которого получают резину (См. Резина). К. н. относится к группе эластомеров (См. Эластомеры) высокомолекулярных соединений, обладающих способностью к большим обратимым… … Большая советская энциклопедия

• Пластические массы — пластмассы, пластики, материалы, содержащие в своём составе полимер (См. Полимеры), который в период формования изделий находится в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации в стеклообразном или кристаллическом… … Большая советская энциклопедия

• Гетинакс — слоистый пластик на основе бумаги и синтетических смол. Связующим чаще всего служат феноло формальдегидные смолы, реже меламино формальдегидные, эпоксидно феноло анилино формальдегидные. Содержание смолы в Г. 40 55%. Иногда Г. фольгируют… … Большая советская энциклопедия

• Уретановые каучуки — уретановые эластомеры, Полиуретаны, обладающие каучукоподобными свойствами. В промышленности вырабатывают У. к. трёх типов: 1) вальцуемые — твёрдые линейные или разветвленные полимеры (молярная масса Уретановые каучуки 30 000), которые… … Большая советская энциклопедия

• Сталь — (Steel) Определение стали, производство и обработка стали, свойства сталей Информация об определении стали, производство и обработка стали, классификация и свойства сталей Содержание Содержание Классификация Характеристики стали Разновидности… … Энциклопедия инвестора

• Бериллиды — соединения бериллия с др. металлами. Обнаружены при исследовании сплавов, легированных бериллием (1916). В 1935 определены кристаллические структуры Б. меди, никеля и железа. Как класс высокотемпературных материалов Б. рассматриваются с… … Большая советская энциклопедия

• МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА — материалов реакция материала на приложенные механич. нагрузки. Осн. характеристиками механич. свойств являются напряжения и деформации. Напряжения характеристики сил, к рые относят к единице сечения образца материала или изделия, конструкции из… … Физическая энциклопедия

• Медь — (Copper) Металл медь, месторождения и добыча меди, получение и применение Информация о металле медь, свойства меди, месторождения и добыча металла, получение и применение меди Содержание — (лат. Cuprum), Cu, химический элемент I группы… … Энциклопедия инвестора

• Полипропилен — Полипропилен … Википедия

• Горные породы — (a. rocks; н. Gesteine; ф. roches; и. rocas) природные минеральные агрегаты, слагающие литосферу Земли в виде самостоят. геол. тела. Tрадиционно под Г. п. подразумевают только твёрдые тела, в широком понимании к Г. п. относят также воду,… … Геологическая энциклопедия

Удельная прочность — Specific strength

Прочности специфические представляет собой материал , по прочности (сила на единицу площади при выходе из строя) делится на его плотность . Это также известно как отношение прочности к массе или отношение прочности к массе или отношение прочности к массе . В волокнах или текстильных изделиях обычно измеряется удельная прочность на разрыв. Единица СИ для удельной прочности составляет Па ⋅ м 3 / кг , или N ⋅m / кг, что размерно эквивалентно т 2 / с 2 , хотя последняя форма редко используется. Удельная сила имеет те же единицы, что и удельная энергия , и связана с максимальной удельной энергией вращения, которую объект может иметь без разлета из-за центробежной силы .

Другой способ описания удельной прочности — это разрывная длина , также известная как длина самоподдержки : максимальная длина вертикальной колонны материала (при фиксированном поперечном сечении), которая может удерживать собственный вес, когда поддерживается только сверху. Для этого измерения определение веса — это сила тяжести на поверхности Земли ( стандартная сила тяжести , 9,80665 м / с 2 ), действующая на всю длину материала, не уменьшающуюся с высотой. Такое использование чаще встречается с некоторыми специальными волокнами или текстильными изделиями.

Материалы с наивысшей удельной прочностью обычно представляют собой волокна, такие как углеродное волокно , стекловолокно и различные полимеры, которые часто используются для изготовления композиционных материалов (например, углеродного волокна и эпоксидной смолы ). Эти и другие материалы, такие как титан , алюминий , магний и высокопрочные стальные сплавы , широко используются в аэрокосмической и других областях, где снижение веса стоит более высокой стоимости материалов.

Обратите внимание, что сила и жесткость различны. Оба важны при проектировании эффективных и безопасных конструкций.

Расчет разрывной длины

где — длина, — предел прочности, — плотность, — это ускорение свободного падения ( м / с )

Примеры

Удельная прочность на разрыв различных материалов

Данные этой таблицы взяты из лучших случаев и были установлены для получения приблизительных цифр.

• Примечание. Многослойные углеродные нанотрубки обладают наивысшей прочностью на разрыв среди всех материалов, которые когда-либо измерялись, и лаборатории производят их с пределом прочности на разрыв 63 ГПа, что все еще значительно ниже их теоретического предела в 300 ГПа. Первые жгуты из нанотрубок (длиной 20 мм), предел прочности которых был опубликован (в 2000 г.), имели прочность 3,6 ГПа, что все еще значительно ниже их теоретического предела. Плотность различается в зависимости от способа изготовления, и наименьшее значение составляет 0,037 или 0,55 (сплошной).

Юрий и космические привязи

Международный консорциум Космического лифта использует «Юру» в качестве названия для единиц СИ , описывающей прочность конкретной. Удельная прочность имеет фундаментальное значение при описании материалов кабелей космических лифтов . Единица Юрий задумана как единица СИ для предела текучести (или предела прочности) на единицу плотности материала при растяжении. Один Юрий равен 1 Па · м 3 / кг или 1 Н · м / кг , что представляет собой разрывную / предельную силу, приходящуюся на линейную плотность натянутого кабеля. Для функционального земного космического лифта потребуется трос 30-80 мегаЮри (что соответствует разрывной длине 3100-8200 км).

Фундаментальный предел удельной прочности

Условие нулевой энергии накладывает фундаментальный предел на удельную прочность любого материала. Удельная прочность не должна превышать c 2 ~. 9 × 10 13 кН ⋅ м / кг , где с является скорость света . Этот предел достигается с помощью силовых линий электрического и магнитного поля, силовых трубок КХД и фундаментальных струн, предполагаемых теорией струн .

Прочность (прочность текстиля)

Упорство является обычной мерой прочности в виде волокна или нити . Обычно ее определяют как предельную (разрывную) силу волокна (в единицах грамм- сила), деленную на денье . Поскольку денье является мерой линейной плотности, прочность на разрыв оказывается не мерой силы на единицу площади, а скорее квазигабаритной мерой, аналогичной удельной прочности. Прочность на разрыв соответствует: В основном Упорство выражается в отчете как сН / текс.

Смотрите также

• Удельный модуль
• Космический лифт
• Космический трос

Рекомендации

Внешние ссылки

• Удельная жесткость — График удельной прочности , Кембриджский университет, инженерный факультет