Жесткость металла: Прочность и твердость металла – Слесарно-инструментальные работы

alexxlab | 05.12.1972 | 0 | Разное

Содержание

Прочность и твердость металла - Слесарно-инструментальные работы


Прочность и твердость металла

Категория:

Слесарно-инструментальные работы



Прочность и твердость металла

Металлы, применяемые в машиностроении и инструментальном производстве, обладают разнообразными ценными свойствами, но самые главные из них — прочность и твердость.

Расскажем коротко об этих свойствах.

Прочность, как известно, есть способность материала сопротивляться разрушению. Если металл не рвется при растяжении и не разрушается при ударе, говорят, что металл прочен. Но в технике нельзя полагаться только на общее впечатление о том, прочен или недостаточно прочен металл, с которым имеют дело. Прочность материала должна быть точно измерена, причем должны быть отдельно определены его способность сопротивляться разрыву и его способность, противостоять ударным нагрузкам. Чтобы определить прочность металла, изготовленные из него образцы подвергают растяжению на специальных машинах до тех пор, пока они не разорвутся. Проследив при действии какой силы разорвался образец и изучив изменение его размеров в месте разрыва, можно получить полную и точную характеристику прочности металла, из которого образец изготовлен.

Затем, разделив величину силы, разорвавшей образец, выраженную в килограммах, на площадь поперечного сечения образца, выраженную в квадратных миллиметрах, узнают то напряжение, которое выдержал образец, т. е. прочность материала на разрыв. Величина этой силы, отнесенная к единице площади сечения и измеренная поэтому уже не в кг, а в кг/мм2, называется пределом прочности при растяжении и обозначается во всей технической литературе, чертежах и технологических документах буквой зв (сигма бэ).

Знание величины предела прочности при растяжении з8 того или иного металла позволяет не только рассчитать изделие на прочность, но и подобрать необходимые режимы резания при его обработке. Это имеет большое значение потому, что прочность сталей весьма различна. Так, например, Ст. 1 имеет = 32 40 кг/мм2, а некоторых высоколегированных сталей доходит до 200 кг/мм2.

Изучая дальше разорванный образец, можно обнаружить, что его сечение в месте разрыва несколько сузилось, а общая длина увеличилась. Это явление говорит о том, насколько данный материал способен противостоять разрушению и изменять свою форму, не нарушая молекулярной связи между его частицами, т. е. быть пластичным.

Если же теперь подсчитать насколько уменьшилась площадь поперечного сечения образца, а затем эту величину разделить на его первоначальную площадь, то получится результат, выраженный в. процентах и называемый относительным сжатием поперечного сечения. Относительное сжатие поперечного сечения обозначается буквой ф (пси) и характеризует вязкость материала. Величина у самых мягких низкоуглеродистых сталей доходит до 60%, у наименее вязких — до 30%.

Измерение увеличенной длины образца характеризует относительное удлинение и обозначается буквой 8 (дельта). Чем больше относительное удлинение, тем больше пластичность металла. По величине относительного удлинения 5 и относительного сжатия <|>, косвенно, можно судить и о вязкости металла. Под вязкостью металла понимают свойство материала противоположное хрупкости.

Второе главное свойство металлов — это твердость. Чем выше твердость, тем деталь долговечнее, тем медленнее она изнашивается. Режущий инструмент только потому снимает стружку с детали, что твердость его намного выше твердости обрабатываемого материала. Уже небольшое изменение твердости существенно сказывается на эксплуатационных свойствах детали и инструмента. Все это заставляет производственников тщательно следить за состоянием твердости детали.

Твердость металла определяется вдавливанием какого-нибудь, предмета в испытываемый материал. По глубине вдавливания судят насколько велика эта твердость. На этом принципе работают существующие приборы для измерения твердости: пресс Бринелля и приборы Роквелла.

При помощи пресса Бринелля твердость незакаленных сталей, а также чугуна измеряется вдавливанием в них стального шарика диаметром 10 мм с силой 3000 кг. Для других материалов сила вдавливания шарика меняется: для меди, латуни и им подобных она составляет 1000 кг, а для мягких сплавов 250 кг. Прибор Рок-велла определяет твердость закаленных материалов вдавливанием) специального алмазного конуса. Результатом измерения, характеризующим величину твердости материала, служат соответствующие числа твердости: число твердости по Бринеллю (Нв ) и число твердости по Роквеллу (HR ).

Число твердости по Бриннелю Я в представляет результат от деления нагрузки (в кг) на площадь отпечатка шарика, выраженную в мм2. Чтобы избежать вычислений при определении числа Нв, пользуются специальными таблицами, в которых можно найти это число по диаметру полученного отпечатка. Наивысшая твердость, которая может быть испытана на этом прессе, равна: Ив = 450.

Пресс Бринелля (рис. 15) действует следующим образом. Зачищенная до получения плоской и ровной поверхности деталь устанавливается на шаровую опору и маховиком, вращающим винт, поднимается до соприкосновения с шариком наконечника. Затем закрывают винтелем выход для масла из цилиндра в резервуар и создают давление на поршень и шариковый наконечник, действуя насосом. Приведенный в действие насос нагнетает масло в цилиндр из резервуара, создает давление на поршень и одновременно передает его манометру и рычагу с грузами. Величина давления соответствует весу грузов. Через некоторое время открывается винтель, часть масла из цилиндра уходит в резервуар и давление падает до нуля. После этого опускают маховиком винт, освобождают деталь и при помощи специальной лупы замеряют диаметр отпечатка.

Рис. 1. Схематическое изображение гидравлического пресса Бринелля.

Рис. 2. Схема действия прибора Роквелла.

Процесс испытания начинается с подвода предмета к алмазному наконечнику и приложения предварительного усилия (10 кг). Это усидчив создается пружиной, находящейся во втулке шпинделя прибора. Рабочий рычаг 6 действует на шпиндель прибора, причем точка его опоры находится на оси 7, а место передачи силы наконечнику —-на призме. На этот рычаг действует груз.

В нерабочем положении рычаг опирается на серьгу и давление на шпиндель не передается. Во время испытания рукоятку освобождают и тогда рычаг вместе с серьгой и рычагом опускается. Плавному опусканию всей этой системы способствует масляный успокоитель 8, позволяющий регулировать скорость приложения силы на испытываемый предмет. Получив возможность перемещения, алмазный конус, опускаясь, проникает в металл. Величина этого перемещения передается рычажком индикатору.

Однако, следует сказать, что далеко не у всех деталей можно проверять твердость описанными приборами. Нельзя, например, с. их помощью определять твердость на режущей кромке инструмента или на внутренней поверхности какой-нибудь матрицы. В подобных случаях прибегают к проверке твердости с помощью тарированных напильников.

На этом можно закончить описание двух, наиболее важных свойств стали — ее прочности и твердости. Однако эти свойства непостоянны. Они могут изменяться с изменением структуры стали, т. е. ее строения. Что же заставляет изменяться структуру стали?


Реклама:

Читать далее:
Термическая и химико-термическая обработка стали

Статьи по теме:

Методы определения твердости металла

Твердость — это способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Твердость металла является весьма важной характеристикой, так как тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износостойкость и др.

В настоящее время имеется много способов определения твердости металлов. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в промышленности.

Определение твердости вдавливанием стального шарика

(метод Бринелля)

Стальной шарик, изготовленный из закаленной шарикоподшипниковой стали, под действием усилия вдавливается в поверхность металла.

С помощью специальной лупы измеряется диаметр лунки. По таблицам, приложенным к прибору, определяется значение твердости Н

Е.

Для испытания применяют специальный пресс типа Бринелля, внешний вид которого показан на рисунке

Стальной шарик крепится в оправке2.

Исследуемый образец ставится на предметный столик 1 и поднимается к шарику штурвалом 4.

При включении мотора 5 грузы пресса 3 опускаются и вдавливают стальной шарик в образец.

Для стали значение твердости, определенное этим методом, связано с пределом прочности соотношением, которым на практике иногда пользуются:

Определение твердости по глубине вдавливания алмазного конуса

(метод Роквелла)

Алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливается в металл предварительной постоянной нагрузкой 10 кг, а затем полкой нагрузкой 60 или 150 кг.

Для испытания используют специальный пресс, внешний вид которого показан на рис. 25.

Алмазный конус крепится в оправке 4.

Образец устанавливается «на столик 3 и поднимается с помощью штурвала до нагрузки 10 кг.

Ручка освобождает грузы6, которые создают усилие для вдавливания конуса в металл. Глубину вдавливания, т.е. значение твердости, отмечает индикатор

5.

Значения твердости этим методом определяются по разности глубины вдавливания алмазного конуса под действием полной и предварительной нагрузок.

Чем тверже металл, тем на меньшую глубину проникает алмаз при вдавливании, тем больше будет число твердости.

Стандартной нагрузкой при этом методе является 150 кг.

Обозначается твердость НRC. В некоторых случаях, например при измерении твердости на тонком образце или при измерении твердости поверхностного слоя металла, нагрузку применяют до 60 кг.

Измерение твердости мягких материалов

На этом же приборе можно производить измерение твердости мягких материалов (цветные металлы, отожженная сталь).

В этом случае используют стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм (1/16»). Стандартной нагрузкой является 100 кг, и величина твердости обозначается индексом НRB.

Определение твердости динамическим вдавливанием шарика

При изменении твердости массивных деталей и конструкций, когда нельзя использовать описанные выше приборы, применяют переносный прибор, показанный на рисунке:

В прибор закладывают эталонный образец 1. При ударе по прибору молотком специальный шарик 2 наносит отпечатки на исследуемый предмет и эталонный образец, твердость которого известна.

Сопоставляя значения диаметров лунок образца и детали по таблицам, определяют твердость детали.

Определение твердости методом упругой отдачи

В тех случаях, когда нельзя применять методы вдавливания, чтобы не испортить поверхности изделия, используется прибор, определяющий твердость металла методом упругой отдачи.

На рисунке показан внешний вид прибора:


С постоянной высоты на металл падает определенного веса боек и отскакивает. По величине отскока судят о твердости. Чем больше твердость, тем больше отскок бойка.

Производительность этого метода испытаний очень велика (несколько сот измерений в час). Однако применять его можно только для сравнения между собой твердости изделий из одного и того же металла или из металлов, имеющих одинаковые упругие свойства.

§

Как металлурги измеряют жесткость металла? 2021

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.

МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла.

Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями.

УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ

Если напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его деформация оказывается упругой – стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости: s = eY, где s – напряжение, e – упругая деформация, а Y – модуль упругости (модуль Юнга). Модули упругости ряда металлов представлены в табл. 1.

Таблица1. Модули упругости металлов
Таблица 1
Металл Вольфрам Железо (сталь) Медь Алюминий Магний Свинец
Модуль Юнга,
105 МПа
3,5 2,0 1,1 0,70 0,45 0,18

Пользуясь данными этой таблицы, можно вычислить, например, силу, необходимую для того, чтобы растянуть стальной стержень квадратного поперечного сечения со стороной 1 см на 0,1% его длины:

F = YґAґDL/L = 200 000 МПа ґ 1 см2ґ0,001 = 20 000 Н (= 20 кН)

Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала.

Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.

Пластические свойства металлического материала (в отличие от упругих) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950° С и закалки может достигать 2000 МПа.

Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.

Растяжение.

Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения – график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной – напряжение (рис. 1). Хотя при растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рис. 1 представлены кривые деформация – напряжение для двух материалов с неодинаковой пластичностью. (Пластичность – это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как той, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование «шейки» (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.

Типичные значения величин, характеризующих прочность на растяжение ряда металлов и сплавов, представлены в табл. 2. Нетрудно видеть, что эти значения для одного и того же материала могут сильно различаться в зависимости от обработки.

Таблица 2
Таблица 2
Металлы и сплавы Состояние Предел текучести, МПа Предел прочности на растяжение, МПа Удлинение, %
Малоуглеродистая сталь (0,2% С) Горячекатанная 300 450 35
Среднеуглеродистая сталь (0,4% С,
0,5% Mn)
Упрочненная и отпущенная 450 700 21
Высокопрочная сталь (0,4% С, 1,0% Mn,
1,5% Si, 2,0% Cr,
0,5% Мo)
Упрочненная и отпущенная 1750 2300 11
Серый чугун После литья 175–300 0,4
Алюминий технически чистый Отожженный 35 90 45
Алюминий технически чистый Деформационно-упрочненный 150 170 15
Алюминиевый сплав (4,5% Cu, 1,5% Mg,
0,6% Mn)
Упрочненный старением 360 500 13
Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Полностью отожженная 80 300 66
Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Деформационно-упрочненная 500 530 8
Вольфрам, проволока Тянутая до диаметра 0,63 мм 2200 2300 2,5
Свинец После литья 0,006 12 30

Сжатие.

Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рис. 2). Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.

Твердость.

Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают «индентор» (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести – это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая.

Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат).

Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче. Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленные нагрев и охлаждение).

Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение. Конструктору обычно приходится выбирать какие-то промежуточные уровни твердости и пластичности.

Ударная вязкость и хрупкость.

Вязкость противоположна хрупкости. Это способность материала сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара. Например, стекло хрупкое, потому что оно не способно поглощать энергию за счет пластической деформации. При столь же резком ударе по листу мягкого алюминия не возникают большие напряжения, так как алюминий способен к пластической деформации, поглощающей энергию удара.

Существует много разных методов испытания металлов на ударную вязкость. При использовании метода Шарпи призматический образец металла с надрезом подставляют под удар отведенного маятника. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по расстоянию, на которое маятник отклоняется после удара. Такие испытания показывают, что стали и многие металлы ведут себя как хрупкие при пониженных температурах, но как вязкие – при повышенных. Переход от хрупкого поведения к вязкому часто происходит в довольно узком температурном диапазоне, среднюю точку которого называют температурой хрупко-вязкого перехода. Другие испытания на ударную вязкость тоже указывают на наличие такого перехода, но измеренная температура перехода изменяется от испытания к испытанию в зависимости от глубины надреза, размеров и формы образца, а также от метода и скорости ударного нагружения. Поскольку ни в одном из видов испытаний не воспроизводится весь диапазон рабочих условий, испытания на ударную вязкость ценны лишь тем, что позволяют сравнивать разные материалы. Тем не менее они дали много важной информации о влиянии сплавления, технологии изготовления и термообработки на склонность к хрупкому разрушению. Температура перехода для сталей, измеренная по методу Шарпи с V-образным надрезом, может достигать +90° С, но соответствующими легирующими присадками и термообработкой ее можно понизить до -130° С.

Хрупкое разрушение стали было причиной многочисленных аварий, таких, как неожиданные прорывы трубопроводов, взрывы сосудов давления и складских резервуаров, обвалы мостов. Среди самых известных примеров – большое количество морских судов типа «Либерти», обшивка которых неожиданно расходилась во время плавания. Как показало расследование, выход из строя судов «Либерти» был обусловлен, в частности, неправильной технологией сварки, оставлявшей внутренние напряжения, плохим контролем за составом сварного шва и дефектами конструкции. Сведения, полученные в результате лабораторных испытаний, позволили существенно уменьшить вероятность таких аварий. Температура хрупко-вязкого перехода некоторых материалов, например вольфрама, кремния и хрома, в обычных условиях значительно выше комнатной. Такие материалы обычно считаются хрупкими, и придавать им нужную форму за счет пластической деформации можно только при нагреве. В то же время медь, алюминий, свинец, никель, некоторые марки нержавеющих сталей и другие металлы и сплавы вообще не становятся хрупкими при понижении температуры. Хотя многое уже известно о хрупком разрушении, это явление нельзя еще считать полностью изученным.

Усталость.

Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали. См. также РАЗРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ.

Усталость, несомненно, является самой распространенной причиной выхода конструкций из строя в условиях эксплуатации. Особенно подвержены этому детали машин, работающие в условиях циклического нагружения. В авиастроении усталость оказывается очень важной проблемой из-за вибрации. Во избежание усталостного разрушения приходится часто проверять и заменять детали самолетов и вертолетов.

Ползучесть.

Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов.

При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах.

Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.

Срок службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта. Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры. См. также МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА

Выше речь шла об общих закономерностях поведения металлов под действием механических нагрузок. Чтобы лучше понять соответствующие явления, нужно рассмотреть атомное строение металлов. Все твердые металлы – кристаллические вещества. Они состоят из кристаллов, или зерен, расположение атомов в которых соответствует правильной трехмерной решетке. Кристаллическую структуру металла можно представить как состоящую из атомных плоскостей, или слоев. Когда прикладывается напряжение сдвига (сила, заставляющая две соседние плоскости металлического образца скользить друг по другу в противоположных направлениях), один слой атомов может сдвинуться на целое межатомное расстояние. Такой сдвиг скажется на форме поверхности, но не на кристаллической структуре. Если один слой сдвинется на много межатомных расстояний, то на поверхности образуется «ступенька». Хотя отдельные атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть под микроскопом, ступеньки, образовавшиеся за счет скольжения, хорошо видны под микроскопом и названы линиями скольжения.

Обычные металлические предметы, встречающиеся нам ежедневно, являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа кристаллов, в каждом из которых своя ориентация атомных плоскостей. Деформация обычного поликристаллического металла имеет с деформацией монокристалла то общее, что она происходит за счет скольжения по атомным плоскостям в каждом кристалле. Заметное же скольжение целых кристаллов по их границам наблюдается только в условиях ползучести при повышенных температурах. Средний размер одного кристалла, или зерна, может составлять от нескольких тысячных до нескольких десятых долей сантиметра. Желательна более мелкая зернистость, так как механические характеристики мелкозернистого металла лучше, чем у крупнозернистого. Кроме того, мелкозернистые металлы менее хрупки.

Скольжение и дислокации.

Процессы скольжения удалось подробнее исследовать на монокристаллах металлов, выращенных в лаборатории. При этом выяснилось не только то, что скольжение происходит в некоторых определенных направлениях и обычно по вполне определенным плоскостям, но и то, что монокристаллы деформируются при очень малых напряжениях. Переход монокристаллов в состояние текучести начинается для алюминия при 1, а для железа – при 15–25 МПа. Теоретически же этот переход в обоих случаях должен происходить при напряжениях ок. 10 000 МПа. Такое расхождение между экспериментальными данными и теоретическими расчетами на протяжении многих лет оставалось важной проблемой. В 1934 Тейлор, Полани и Орован предложили объяснение, основанное на представлении о дефектах кристаллической структуры. Они высказали предположение, что при скольжении сначала происходит смещение в какой-то точке атомной плоскости, которое затем распространяется по кристаллу. Граница между сдвинувшейся и несдвинувшейся областями (рис. 4) представляет собой линейный дефект кристаллической структуры, названный дислокацией (на рисунке эта линия уходит в кристалл перпендикулярно плоскости рисунка). Когда к кристаллу прикладывается напряжение сдвига, дислокация движется, вызывая скольжение по плоскости, в которой она находится. После того как дислокации образовались, они очень легко движутся по кристаллу, чем и объясняется «мягкость» монокристаллов.

В кристаллах металлов обычно имеется множество дислокаций (общая длина дислокаций в одном кубическом сантиметре отожженного металлического кристалла может составлять более 10 км). Но в 1952 научные сотрудники лабораторий корпорации «Белл телефон», испытывая на изгиб очень тонкие нитевидные кристаллы («усы») олова, обнаружили, к своему удивлению, что изгибная прочность таких кристаллов близка к теоретическому значению для совершенных кристаллов. Позднее были обнаружены чрезвычайно прочные нитевидные кристаллы и многих других металлов. Как предполагают, столь высокая прочность обусловлена тем, что в таких кристаллах либо вообще нет дислокаций, либо имеется одна, идущая по всей длине кристалла.

Температурные эффекты.

Влияние повышенных температур можно объяснить, исходя из представлений о дислокациях и зеренной структуре. Многочисленные дислокации в кристаллах деформационно-упрочненного металла искажают кристаллическую решетку и увеличивают энергию кристалла. Когда же металл нагревается, атомы становятся подвижными и перестраиваются в новые, более совершенные кристаллы, содержащие меньше дислокаций. С такой рекристаллизацией и связано разупрочнение, которое наблюдается при отжиге металлов.

Жесткость машиностроительных конструкций - Inzhener-Info

Корпусные детали

Главными средствами повышения жесткости корпусных деталей без существенного увеличения их массы (а иногда и с ее уменьшением) являются: скругление переходов, придание стенкам сводчатых форм, рациональное внутреннее оребрение и введение между стенками связей (предпочтительно диагональных). Жесткость корпусов можно увеличить конструктивным объединением элементов корпуса в одно целое (моноблочные конструкции).

На рис. 132 показано (примерно в порядке исторической последовательности) усиление конструкции рядных двигателей внутреннего сгорания.

В двигателе 1 с отдельными цилиндрами жесткость конструкции определяется только жесткостью картера. При изгибе силами, возникающими при вспышках, картер деформируется, а вместе с ним деформируется и двигатель в целом. Более жесткой является полублочная конструкция 2, где головки цилиндров объединены в общий блок. Суммарный момент инерции системы, усиленной блочной головкой с установленной на ней общей крышкой распределительною валика, резко возрастает.

Наиболее целесообразны блочные системы, имеющие преимущественное распространение в современном двигателестроении. Здесь жесткость повышена выполнением рубашек цилиндров в общем блоке 3, который присоединяют к картеру или отливают как одно целое с картером (моноблочная конструкция 4). В последнем случае получается наиболее жесткая и прочная конструкция с наименьшим числом стыков между ее элементами.

Для повышения жесткости собственно картера целесообразно увеличивать моменты инерции поперечных сечений картера и предупредить раскрывание его продольных стенок под действием сил вспышек.

На рис. 133 приведены основные конструктивные схемы картеров рядных блочных двигателей.

В конструкции а плоскость разъема главного картера 1 и поддона 2 расположена выше оси коленчатого вала. Вал фиксируется подвесками 3. Система обладает малой жесткостью, хотя и очень удобна для сборки коленчатого вала. Жестче конструкция б с плоскостью разъема по оси вала.

В конструкции в подвески 4 подшипников развиты в поперечном направлении и крепятся к картеру двумя рядами болтов. Поперечные перегородки картера усилены арочными ребрами, благодаря чему вокруг опор образуются узлы жесткости.

Значительно повышает жесткость перенесение плоскости разъема ниже оси коленчатого вала (конструкция г). Подвески 5 устанавливают в выборках поперечных перегородок и для увеличения жесткости скрепляют со стенками болтами 6 (конструкция д) или анкерными болтами 7 (конструкции е). Другой прием увеличения жесткости — введение промежуточного отсека 8 (конструкция ж) с отлитыми за одно целое подвесками.

Наибольшей жесткостью обладает картер, состоящий из двух несущих половин (конструкция з), стянутых между собой и с блоком цилиндров сквозными болтами 9.

Плиты

На рис. 134 показаны способы усиления литых плит (приблизительно в порядке возрастающих жесткости и прочности). Предполагается, что плита нагружена в центре и оперта на четыре боковые стойки. Исходная конструкция 1 обладает низкой жесткостью и прочностью. Продольные ребра, имеющие форму тел равного сопротивления изгибу (конструкция 2), увеличивают жесткость плиты в продольном направлении; жесткость в поперечном направлении недостаточна. Равножесткими в продольном и поперечном направлениях являются конструкции с диагональными лучевыми 3 и вафельными 4 ребрами.

Иной принцип положен в основу конструкции 5, жесткость которой достигнута окантовкой плиты вертикальными стенками. Изгибающие деформации плиты сдерживаются сопротивлением замкнутых контуров канта, работающих на растяжение. Жесткость повышают увеличением высоты окантовки, увеличением сечений на крайних точках канта и соединением тела плиты с кантом ребрами (конструкции 6, 7), тормозящими деформации стенок канта.

Стягивание стенок окантовки анкерными болтами (конструкция 8) позволяет создать в плите предварительные напряжения (преднапряжения), противоположные по знаку рабочим напряжениям (шпренгельная конструкция).

Высокой жесткостью и прочностью обладает конструкция 9 с накладкой из листовой стали, работающей на растяжение. Нагревом накладки перед монтажом можно создать преднапряжения при условии, если накладка жестко связана с плитой (например, контрольными штифтами). Другой способ увеличения жесткости — придание ребрам арочной формы 10 и введение арочных сводов 11. Конструкция 12 представляет собой сочетание арки с окантовкой. Высокую жесткость имеют окантованные плиты с вафельными 13, шахматными 14, ромбическими 15 и сотовыми 16 ребрами. При наличии на плите привязочных узлов расположение ребер должно быть подчинено условию создания узлов жесткости в крепежных точках (конструкция 17).

Наибольшей жесткостью обладают двустенные плиты. В конструкции 18 стенки связаны лучевыми ребрами, формуемыми с помощью стержней, вводимых с боков плиты. Плиты с прямыми 19 и раскосными 20, 21 ребрами формуются сквозными стержнями, укрепляемыми на знаках в боковых стенках плиты. Полузакрытые плиты с вафельными ребрами 22 формуются с помощью стержней, укрепляемых через отверстия в нижней стенке плиты. Плита с арочной нижней стенкой 23 формуется стержнями через боковые стенки.

Легка, технологична и достаточно жестка конструкция 24 решетчатой плиты. Для создания гладкой наружной поверхности такие плиты покрывают тонколистовой облицовкой.

Тонкостенные конструкции

В конструкциях из листового материала (оболочковых, тонкостенных профилях, резервуарах, облицовках, панелях, крышках) необходимо учитывать не только деформации, вызываемые рабочими нагрузками, но и деформации, возникающие при сварке, механической обработке, соединении и затяжке сборных элементов. Следует считаться и с возможностью случайных повреждений стенок при транспортировке, монтаже и неосторожном обращении в эксплуатации. В сильно нагруженных оболочковых конструкциях первостепенное значение имеет предупреждение потери устойчивости оболочек.

Основные приемы увеличения жесткости: всемерная разгрузка от изгиба, замена напряжений изгиба напряжениями сжатия-растяжения, введение связей между участками наибольших деформаций, увеличение сечений и моментов инерции на опасных участках, введение усиливающих элементов в местах сосредоточения нагрузок и на участках перелома силового потока, применение конических и сводчатых форм.

Отсеки

Радиальную жесткость цилиндрических тонкостенных деталей больших размеров увеличивают с помощью кольцевых поясов жесткости, наружных (рис. 135, а) или внутренних (рис. 135, б).

Более жестки и прочны отсеки 1 с двойными стенками (рис. 136). Для увеличения радиальной жесткости целесообразно стенки отсека связывать между собой сваркой пуклевок 2 на стенках отсека или сваркой трубок 3. Лучшие результаты дает введение кольцевых поясов жесткости 4—7.

Аналогичное действие оказывает разделение отсека на несколько отсеков 8, 9 меньшей длины. Роль поясов жесткости в данном случае выполняют стыки отсеков. Введение в отсеки конусов 10 и сводчатых элементов 11, 12 увеличивает не только радиальную, но и продольную жесткость.

На рис. 137 показаны отсеки, усиленные коническими элементами.

Продольную жесткость отсекам придают с помощью связей 1—3, расположенных вдоль образующих (рис. 138), или выполнением отсека из нескольких сегментов 4. Наибольшей жесткостью и прочностью обладают гофровые 5 и сотовые 6 конструкции.

Спиральные и зигзагообразные ребра (рис. 139) увеличивают наряду с продольной и поперечной жесткостью также жесткость на кручение; их изготовление, однако, труднее, чем прямых продольных ребер.

Двойные отсеки соединяют с помощью наружных (рис. 140, а) и внутренних (рис. 140, б) фланцев. Последние обеспечивают большую жесткость и значительно снижают радиальные размеры конструкций.

При установке болтов изнутри необходимо предусматривать во внутренней стенке отверстия, достаточные для ввода, установки и завертывания болтов. Конические отсеки (рис. 141, а) усиливают, вводя кольцевые пояса жесткости 1, 2, 3, выполняя отсеки двустенными 4 и придавая стенкам сводчатые формы (рис. 141, б). На рис. 141, в показана конструкция двустенной сферической консольной детали.

Оболочковые конструкции с пространственными решетками

Наиболее высокую жесткость оболочковым системам можно придать заполнением пространства между оболочками равномерно распределенными элементами жесткости, связывающими все их участки и превращающими систему в пространственную решетку, работающую как одно целое. Появление прочных синтетических смол и клеев позволяет до некоторой степени приблизиться к решению этой задачи.

Применяют две основные конструкции: пенопластовые и сотовые.

В первом случае полости между металлическими оболочками заполняют вспенивающимися пластиками на основе термореактивных или отверждающихся смол. Пластики вводят в жидком виде с добавлением газообразующих веществ и эмульгаторов. При нагреве до 150—200°С состав вспенивается и затвердевает, образуя пористую массу с объемом пор до 80—90% и плотностью (0,1—0,2)·103 кг/м3. Прочность, жесткость и устойчивость систем в целом значительно увеличиваются, хотя и не до такой степени, как в случае введения металлических пространственных связей. Эту систему обычно применяют в сочетании с металлическими связями, поперечными (нервюры, шпангоуты) и продольными (лонжероны, стрингеры).

Сотовые конструкции изготовляют соединением тисненных в виде пчелиных сот хлопчатобумажных или стеклянных тканей, пропитанных термореактивными или отверждающимися смолами. Покровные оболочки делают из листов того же материала или металлических листов. Размер ячеек сот обычно 8—15 мм.

Более высокой прочностью и жесткостью обладают металлические соты, получаемые склеиванием тисненных металлических листов, покрытых пленкой из фенолнеопреновых клеев или клеев на основе модифицированных эпоксидов. Эти же клеи служат для присоединения к сотам покровных металлических оболочек. Прочность сотовых конструкций зависит от прочности клеевых соединений (у наиболее прочных синтетических клеев сопротивление сдвигу составляет 20—50 МПа, отрыву 50—100 МПа). Стальные листы можно соединять более прочным способом — печной пайкой бронзовыми сплавами в вакууме или восстановительной атмосфере.

Новые возможности создания металлических сотовых конструкций открывает метод сварки острофокусированным электронным лучом. Поток электронов высокой энергии проникает через довольно большую толщину металла. Сварочная температура возникает только в фокусе; остальные зоны не вызывают существенного нагрева материала. Это позволяет сваривать стыки на любой глубине конструкции при одном и том же положении сварочного аппарата. Сварочную зону вглубь перемещают перефокусировкой луча с помощью собирательных электромагнитных катушек, а в поперечном и продольном направлениях — с помощью отклоняющих катушек. Таким образом можно последовательно проверить все внутренние стыки конструкции.

Устойчивость оболочковых конструкций

Увеличение габаритных размеров и уменьшение толщины стенок выдвигают на первый план повышение поперечной жесткости и предотвращение потери устойчивости конструкций. В случае тонкостенных балок закрытого профиля задача состоит в предупреждении прогиба вертикальных стенок 1 (рис. 142) и перекоса профиля 2 под действием нагрузок.

Прогиб стенок предотвращают введением ребер 3, выбивкой рельефов 4, 5, установкой продольных вертикальных связей 6, 7. Более эффективным является введение поперечных вертикальных 8 и продольных горизонтальных 9—12 перегородок, анкерных болтов 13, 14, трубчатых связей 15, 16, соединение стенок пуклевками 17, 18. Общую жесткость профиля увеличивают диагональными связями 19, 20 и косыми перегородками, расположенными змейкой 21, 22.

Усиление участков приложения сосредоточенных сил

При конструировании тонкостенных деталей следует уделять особое внимание участкам приложения сосредоточенных сил. Недостаточная жесткость этих участков может вызвать местную деформацию стенок и сделать конструкцию неработоспособной.

Для цилиндрических оболочковых деталей простейшим способом является введение накладок, распределяющих силу на большую поверхность (рис. 143, а). Более эффективно применение поясов жесткости и перегородок (рис. 143, б), вводящих в работу полное сечение детали.

Прогиб тонкостенных деталей 1 на участке расположения крепежных болтов (рис. 144) предупреждают установкой шайб 2 большого диаметра, отбортовкой стенки 3, 4, введением усиливающих элементов 5—8. Наиболее целесообразный способ — восприятие сил затяжки распорными элементами, например, трубчатыми колонками 9, работающими на сжатие.

На рис. 145 показано соединение тонкостенной крышки с корпусной деталью с помощью невыпадающего болта. В исходной конструкции 1 стенка крышки деформируется даже при слабой затяжке. В конструкции 2 слабый участок подкреплен приварными ребрами m.

Другой способ уменьшения прогиба — ограничение затяжки заранее установленным зазором s (конструкции 3—5). В конструкции 5 ограничителю придан конус-ловитель, облегчающий введение нарезного конца болта при установке крышки. Пружина служит для поддержания болта в требуемом положении при отнятой крышке.

Стыки листовых конструкций

Жесткость стыков тонкостенных деталей играет большую роль особенно в тех случаях, когда стыки должны быть герметичными.

При фланцевом соединении двух тонкостенных цилиндрических деталей большого диаметра (рис. 146, а) герметичной затяжки на участках между болтами из-за нежесткости фланцев достичь невозможно.

Мало помогает уменьшение шага болтов и установка шайб 1 под головки болтов и гайки. Добиться герметичности стыка можно введением накладных 2 или приварных массивных 3 колец. В случае крепления штампованного из листовой стали поддона к корпусной детали (рис. 146, б) герметичную затяжку обеспечивают отбортовкой фланца, введением массивной рамки 4 по контуру фланца, прихваченной к поддону точечной сваркой.

Рельефы жесткости

Для увеличения жесткости на стенках выбивают рельефы, формы которых показаны на рис. 147.

При холодном штамповании рельефам рекомендуется придавать высоту не более (3—5)s, где s — толщина материала. Рельефы большой высоты нужно штамповать в несколько приемов с промежуточным отжигом, что удорожает производство. При горячем штамповании возможно применение рельефов большой высоты и протяженности. Помимо повышения прочности и жесткости в силу чисто геометрических соотношений (увеличение моментов сопротивления и инерции сечений), рельефы, выбиваемые вхолодную, увеличивают прочность благодаря нагартовке металла.

Рельефные валики следует располагать вдоль плоскости действия изгибающего момента (рис. 148, а). Обратное расположение (рис. 148, б) не увеличивает жесткости, а напротив, делает деталь более податливой. Рельефы должны быть направлены к узлам жесткости системы. Наилучшим расположением валиков для прямоугольных пластин является диагональное (рис. 148, в). Придание вогнутой формы днищам цилиндрических тонкостенных сосудов (рис. 149) увеличивает жесткость, улучшает устойчивость и придает определенность установке сосудов на плоскости. Эффективным способом увеличения жесткости углов перехода от обечайки к днищу являются местные выдавки треугольной формы.

На рис. 150 показаны приемы усиления кромок цилиндрических обечаек отбортовкой.

Облегчающие отверстия

С целью уменьшения массы в тонкостенных конструкциях часто делают облегчающие отверстия. Для увеличения местной жесткости, уменьшения концентрации напряжений и повышения циклической прочности, сниженной воздействием вырубного инструмента, кромки отверстий усиливают отбортовкой (рис. 151, а), подвивкой кромок (рис. 151, б и в), обжимом кромок (рис. 151, г), введением усиливающих накладок (рис. 151, д).

Высоту h при отбортовке вхолодную с одной операции можно принимать h = (0,15—0,25)·D. Более высокие отбортовки, а также отбортовки с подвивкой требуют нескольких последовательных операций с промежуточным отжигом.

Эффективным средством увеличения сопротивления усталости материала возле отверстий является двустороннее обжатие кромок по контуру отверстия с помощью чеканов скругленного профиля (рис. 152).

Резервуары

Резервуары 1 прямоугольной формы (рис. 153) невыгодны, так как под действием давления стенки выпучиваются (штриховая линия). При таких формах обязательно введение поперечных перегородок жесткости 2. Большей жесткостью обладают овальные 3, эллиптические 4, 5 и особенно цилиндрические 6 резервуары. При усилении цилиндрических резервуаров наружными ребрами следует учитывать направление деформации стенок.

Напряжения растяжения в сечении по образующим

где р — внутреннее давление, D — диаметр резервуара; s — толщина стенки (рис. 154).

Напряжения в поперечных сечениях

т. е. в 2 раза меньше, чем по образующим. По этой причине резервуары всегда разрушаются по образующим.

Продольные ребра 1 увеличивают жесткость и прочность резервуара незначительно — в меру своего сопротивления изгибу в продольной плоскости. Выгоднее применять кольцевые ребра 2, работающие на растяжение.

Плоские днища 1 (рис. 155) при высоких внутренних давлениях неприемлемы. Более жесткими и прочными являются вогнутые днища 2. Однако их деформация под действием давления вызывает распор обечайки и создает в ней дополнительные напряжения изгиба. Кроме того, вогнутые днища заметно уменьшают рабочий объем резервуара. Выпуклые днища 3 и близкие к ним конические 4, напротив, сдерживают радиальные деформации обечайки.

Щитки

Жесткость крышек, щитков, панелей и подобных им деталей увеличивают приданием коробчатых 1 (рис. 156) и выпуклых 2 форм, отбортовкой 3, выбивкой рельефов 4.

На рис. 157, а показаны формы щитков (в плане) с прямоугольным и диагональным (рис. 157, б) рисунком рельефа и пирамидальные (рустированные) крышки (рис. 157, в). Выбор формы и рисунка рельефа часто определяется требованиями эстетики, особенно в тех случаях, когда щиток находится на виду. Красивы и достаточно жестки рустированные щитки.

Щитки большой протяженности делят на ряд отсеков (рис. 157, г), каждый из которых усиливают описанными выше приемами. Для увеличения продольной жесткости отсеки связывают между собой рамкой или продольными рельефами.

Примеры увеличения жесткости и прочности типовых машиностроительных деталей приведены в табл. 24.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Жесткость воды

Жесткостью называют свойство воды, обусловленное наличием в ней растворимых солей кальция и магния.

 

Химия жесткости

 

Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na+) таким свойством не обладают.

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются.

Катионы

Анионы

Кальций (Ca2+)

Гидрокарбонат (HCO3-)

Магний (Mg2+)

Сульфат (SO42-)

Стронций (Sr2+)

Хлорид (Cl-)

Железо (Fe2+)

Нитрат (NO3-)

Марганец (Mn2+)

Силикат (SiO32-)

На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3+) и трехвалентное железо (Fe3+) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, "вклад" в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва2+).

 

Виды жесткости.

Различают следующие виды жесткости.

Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

 

Единицы измерения.

В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м3).

Кроме этого в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO3.

Соотношение этих единиц жесткости представлено в следующей таблице:

Единицы жесткости воды

Моль/м3 (мг-экв/л)

Немецкий градус, do

Французский градус, fo

Американский градус

ppm (мг/дм3)СаСО3

1.000

2.804

5.005

50.050

50.050

Примечание:

  1. Один немецкий градус соответствует 10 мг/дм3 СаО или 17.86 мг/дм3 СаСО3 в воде.
  2. Один французский градус соответствует 10 мг/дм3 СаСО3 в воде.
  3. Один американский градус соответствует 1 мг/дм3 СаСО3 в воде.

 

Происхождение жесткости

Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости. Ниже в таблице приведены целых четыре примера классификации. Две классификации из российских источников - из справочника "Гидрохимические показатели состояния окружающей среды" и учебника для вузов "Водоподготовка" /9/. A две - из зарубежных: нормы жесткости немецкого института стандартизации (DIN 19643) и классификация, принятая Агентством по охране окружающей среды США (USEPA) в 1986.

Таблица наглядно иллюстрирует гораздо более "жесткий" подход к проблеме жесткости "у них". Тому есть причины, о которых - ниже.

 

Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg2+) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах - десятков граммов на один литр воды.

В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3).

 

Влияние жесткости на качество воды.

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л).

Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование "мыльных шлаков" в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жестких" волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие хитрости для восстановление той защиты кожи, которой нас и так снабдила матушка Природа.

Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.

 

 

Переохлажденный металл помог композиту увеличить жесткость при деформации

Изменение микроструктуры композитного материала при деформации

B. S. Chang et al./ Materials Horizons, 2018

Американские инженеры создали композитный материал, который при изгибе увеличивает свою жесткость в четыре раза. Сделанную из него гибкую пластину можно превратить в трехмерную структуру, которая выдерживает вес, в 50 раз превосходящий ее собственный. Эффект основан на кристаллизации переохлажденного металла, и поэтому такое затвердевание необратимо, пишут ученые в Materials Horizons.

Материалы, которые в ответ на внешнее воздействие резко меняют свои механические свойства (становятся упругими, пластичными или, наоборот, затвердевают, принимая нужную форму), могут использоваться в медицинских целях, для создания защитных элементов различных сенсоров или, например, для 3d-печати. Обычно резкая смена состояния таких материалов происходит в ответ на внешнее воздействие (например, нагрев, облучение или внешнее поле) или в результате химических реакций.

Инженеры из Университета штата Айова под руководством Майкла Бартлетта (Michael Bartlett) и Мартина Туо (Martin Thuo) разработали композитный материал, который резко увеличивает свою жесткость в ответ на механическое воздействие: он затвердевает, если его изогнуть или скрутить в спираль. Композит состоит из сферических переохлажденных металлических микрочастиц размером от 1 до 20 микрометров. Каждая из частиц состоит из двух фаз: внутреннее ядро из переохлажденного жидкого сплава Филда покрыто твердой оболочкой из его оксида. Для получения конечного композитного материала эти частицы помещают в упругую силиконовую матрицу.

Поскольку жидкие металлические частицы находятся в метастабильном состоянии, при внешней нагрузке внешний оксидный слой разрушается, микрокапли жидкого металла сливается друг с другом и затвердевают. Это приводит к образованию довольно больших по размеру продолговатых микрообразований, которые фиксируют деформированную структуру.

Схематическое изображение и микрофотографии структуры композита до (сверху) и после (снизу) деформации. Справа представлена схема энергетических состояний материала

B. S. Chang et al./ Materials Horizons, 2018

В результате деформации модуль Юнга такого материала, содержащего 30 объемных процентов металла, увеличивается в четыре раза: с 20 до 80 мегапаскалей. Таким образом из изначально гибкой пластины можно получить жесткую трехмерную структуру. И если механические свойства начальной структуры определялись скорее параметрами упругой силиконовой матрицы, то в конечном состоянии свойства композита больше зависят от упругих свойств металлических образований, в результате чего изогнутая пластина легко может удерживать вес, в 50 раз превосходящий ее собственный.

По словам авторов работы, механические свойства композита зависят от объемной доли металла. Например, для материала, в которой объем металлических частиц и матрицы был примерно одинаковым, максимальное напряжение, при котором происходит увеличение модуля Юнга, составило только 33 мегапаскаля (оно привело к деформации примерно в 30 процентов), при больших давлениях модуль Юнга начинает падать из-за разрушения материала. Именно изменение объемной доли частиц и их размера исследователи предлагают использовать для настройки свойств композита.

Фотографии композита до и после деформации. Изогнутая пластина справа способна выдержать вес, превосходящий ее собственный в 50 раз

Christopher Gannon / Iowa State University

Инженеры отмечают, что предложенный ими материал для отклика на внешнее воздействие не требует внешних источников энергии, и при этом не использует химических реакций. Изменение его свойств вызвано релаксацией к термодинамически устойчивому состоянию.

Несмотря на довольно простой механизм затвердевания композита, основная сложность состоит в его получении — зафиксировать металлические частицы в метастабильном переохлажденном состоянии довольно непросто. Тем не менее авторам работы удалось найти достаточно простой способ, при котором нужные частицы образуются при вращении в нагретом до 145 градусов Цельсия органическом растворителе со скоростью в 22 тысячи оборотов в минуту. В результате окисления на поверхности частиц формируется нужная структура с переохлажденным металлом внутри и твердой оксидной оболочкой снаружи.

Ученые отмечают, что из-за того, что свойства композита основаны именно на чисто физическом механизме и требуют только фиксации метастабильного переохлажденного состояния, то подобный композит можно получить на основе других легкоплавких металлов. 

Кроме переохлажденных жидкостей, при внешнем механическом воздействии могут затвердевать, например, неньютоновские жидкости. Однако в отличие от переохлажденной жидкости, в этом случае не происходит как такового фазового перехода, но из-за нелинейного отклика на внешнее воздействие сильно меняется вязкость. Такой эффект некоторые разработчики предлагают использовать для создания легких бронежилетов, которые меньше ограничивают движения человека и затвердевают только при попадании в него пули.

Александр Дубов

Жесткость металла - ваш электротехнический гид


Сопротивление металла упругой деформации называется жесткостью металла . Поскольку прогиб многих изделий из-за рабочих нагрузок может повлиять на обрабатываемость компонентов, жесткость материала часто является ограничивающим фактором при проектировании.

Примечательно, что жесткость металла очень мало изменяется при легировании с другими элементами. Если стальная балка слишком сильно прогнется под нагрузкой, переход на более прочную легированную сталь ничего не даст.Прочность будет увеличена, но при той же нагрузке балка все равно будет прогибаться примерно на такую ​​же величину. Выходом является увеличение сечения балки.

Жесткость металла измеряется модулями упругости при растяжении, сжатии и сдвиге, коэффициентом Пуассона и объемным модулем упругости.

Модуль упругости при растяжении и сжатии


Модуль упругости - это мера упругой деформации металла при напряжении при растяжении или сжатии в пределах пропорционального предела.Его значение равно отношению напряжения к деформации и соответствует начальному наклону кривой напряжения-деформации.

Когда деформация мала, отношение продольного напряжения к соответствующей продольной деформации называется модулем Юнга материала тела.

Когда деформация мала, отношение нормального напряжения к объемной деформации называется модулем объемной упругости материала тела.

Коэффициент Пуассона


Когда к телу действуют две равные и противоположные силы в определенном направлении, тело удлиняется в этом направлении.В то же время он сжимается и в перпендикулярных направлениях.

Частичное изменение направления приложения сил называется продольной деформацией , а частичное изменение в перпендикулярном направлении называется поперечной деформацией .

Отношение поперечной деформации к продольной деформации известно как коэффициент Пуассона. Это константа для материала тела.

Как показано на рисунке №1, на провод исходной длины «L» и диаметра «D» действуют равные и противоположные силы «F», «F» по всей своей длине.Если длина увеличивается на ∆L, а диаметр уменьшается на дельту ∆D, тогда

Продольная деформация = ∆L / L
и поперечная деформация = ∆D / D

Коэффициент Пуассона σ материала проволоки составляет
σ = поперечная деформация / продольная деформация = (∆D / D) / (∆L / L)


«σ», являясь соотношением двух видов деформации, не имеет единицы измерения и безразмерный. Теоретически значение «σ» должно быть меньше 0,5. Для большинства твердых веществ он составляет от 0,25 до 0,35.

Сдвиг и модуль жесткости


Когда на тело действует внешняя сила, касательная к поверхности тела, при этом противоположная поверхность остается неподвижной, она претерпевает изменение формы; его объем остается неизменным.Тогда говорят, что тело «стригут».

Отношение смещения слоя в направлении касательной силы и расстояния этого слоя от неподвижной поверхности известно как «сдвиг» или «деформация сдвига», а тангенциальная сила, действующая на единицу площади поверхности, равна известное как «напряжение сдвига».

При небольшой деформации отношение напряжения сдвига к деформации сдвига известно как «модуль жесткости» материала корпуса. Обозначается буквой «»

.

Рассмотрим куб, показанный на рисунке №3, нижняя поверхность которого неподвижна.Когда к его верхней поверхности CDHG прикладывается касательная сила F , тогда все слои, параллельные CDHG , смещаются в направлении силы. Смещение слоя пропорционально его расстоянию от неподвижной поверхности. Таким образом, куб принимает новую форму ABD’C’EFH’G ’, как показано на рисунке №4.

Угол поворота линии AC или BD, первоначально перпендикулярной фиксированной поверхности, известен как «угол сдвига» или «деформация сдвига».

Если θ мало, то

θ = Tan θ
= DD '/ BD
= Смещение верхней поверхности / Расстояние верхней поверхности от неподвижной поверхности

Очевидно, что сдвиг численно равен отношению смещения любого слоя на расстояние слоя от фиксированной поверхности.

Если A - площадь верхней поверхности (CDHG), то
напряжение сдвига = F / A

Модуль жесткости материала куба составляет
ἠ = напряжение сдвига / сдвиг = (F / A ) / θ = F / Aθ

Спасибо, что прочитали о «жесткости металлического pdf».

Материаловедение | Все сообщения

© www.yourelectricalguide.com/

Прочность и жесткость металла: в чем разница?

*

Выберите страну / regionUnited StatesCanadaAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCape VerdeCayman IslandsCentral африканских RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократическая Республика ofCook IslandsCosta RicaCote D'IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEast TimorEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland (Мальвинские) острова Фарерские IslandsFijiFinlandFmr Югославская Республика МакедонияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные территорииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГренландияГренадаГваделупаГуамГватемалаГвинеяГвинея-БисауГайанаГаити Херд и Макдональд IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran (Исламская Республика) IraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakstanKenyaKiribatiKorea, Корейские Народно-Демократической RepKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народный Демократической RepLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Arab JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesia, Федеративные StatesMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua Нового GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint HelenaSaint Киттс и НевисСент-ЛюсияСент-Пьер и МикелонСамоаСан-МариноСао-Томе и ПринсипиСаудовская АравияСенегалСейшельские островаСьерра-ЛеонеСингапурСловацкий iaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSpainSri LankaSth Georgia & Sth Sandwich Институт социальных Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwan, провинция ChinaTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабских EmiratesUnited KingdomUruguayUS Minor Отдаленные IslandsUzbekistanVanuatuVenezuelaVietnamVirgin острова (Британские) Виргинские острова (U.S.) Острова Уоллис и Футуна Западная Сахара ЙеменЮгославия Замбия Зимбабве

Жесткость против прочности и твердости в производстве металлов

Кажется, существует некоторая путаница в отношении разницы между прочностью и жесткостью в металле. В конце концов, разве прочный металл не жесткий, а жесткий металл - крепкий?

Хотя часто существует корреляция между прочностью и жесткостью металла, для производственных целей эти два термина действительно следует четко разделять.

Почему?

Чтобы ответить на этот вопрос, вот несколько различий в значении жесткости и прочности металлических форм:

Определение жесткости

Жесткость - это жесткость любого объекта или материала.Предметы с высокой жесткостью будут сопротивляться изменению формы под действием физической силы.

Например, рыхлая влажная глина имеет низкую жесткость и меняет форму всего лишь под давлением в несколько фунтов. По жесткости алюминий значительно жестче влажной глины. Для сравнения, стальные сплавы обладают очень высокой жесткостью, что позволяет им выдерживать давление в тысячи фунтов на квадратный дюйм (PSI) без деформации поверхности металла.

Способность выдерживать давление, не сгибаясь, звучит так, будто ее следует использовать в качестве основы прочности металлического предмета, такого как проволочная корзина, но это не так.

На это тоже есть веская причина.

Жесткость зависит от модуля упругости, также известного как модуль Юнга. Хотя прочность может варьироваться от марки к марке, модуль Юнга постоянен для любого данного металла и не зависит от внешних факторов стресса, таких как термообработка, обработка или холодная обработка.

Проще говоря, когда дело доходит до прочности по сравнению с жесткостью, прочность металла может изменяться по всему объекту, но его жесткость остается постоянной.

Определяющая сила

Механическую прочность можно определить как меру напряжения, которое может быть приложено к материалу до того, как он деформируется или сломается.Это может сбивать с толку, потому что сопротивление физической деформации является ключевой частью определения как прочности, так и жесткости.

Одно из ключевых отличий заключается в использовании слова «постоянный». Прочный материал может изгибаться под действием силы, которая ниже его максимального предела текучести, но он вернется к своей первоначальной форме, как только эта сила будет устранена. Это означает, что прочный материал может гнуться, не ломаясь, и вернуться к своей нормальной форме.

Еще одно ключевое отличие состоит в том, что прочность материала зависит от его химического состава и любых термических обработок, которым он подвергается при преобразовании в размер или форму.Проще говоря, прочность металла может варьироваться в зависимости от процессов, которым подвергался металл.

Определение твердости

В то время как первые два свойства определялись величиной напряжения или силы, которые металл может принять перед физическим воздействием, твердость измеряет сопротивление металла деформации поверхности. Обычно это относится к локализованному участку поверхности.

Например, если вы ударите молотком по поверхности куска дерева, вы заметите вмятину или отпечаток того места, где произошел удар.Это показатель твердости древесины. На противоположном конце спектра, если вы проделали то же самое с толстой стальной балкой и на поверхности не было визуальной деформации, вы могли бы сказать, что балка была намного тверже дерева.

Что означает разница для моих материалов?

Как указывалось ранее, часто существует сильная корреляция между прочностью, твердостью и жесткостью. Но разница может быть значительной, особенно при производстве металлических материалов, которые будут подвергаться воздействию множества внешних сил.

Например, чрезвычайно жесткий материал также может быть очень хрупким, склонным к разрушению при превышении порогового значения давления. С другой стороны, прочные материалы имеют тенденцию изгибаться до того, как они сломаются, и отскакивают после снятия нагрузки, если только указанная нагрузка не превышает предел текучести материала. И, в зависимости от твердости материала, независимо от прочности или жесткости, он может быть поврежден или не поврежден ударом другого объекта.

Итак, когда вы спрашиваете, насколько прочны изделия изготовителя металлических форм по индивидуальному заказу, убедитесь, что они знают разницу между прочностью, жесткостью и твердостью.

Позвольте Marlin Steel направлять ваше производство металла

Вам нужны металлические изделия, отвечающие вашим требованиям по прочности, твердости или жесткости? Команда экспертов Marlin Steel имеет обширный опыт работы с широким спектром материалов, таких как обычная, нержавеющая, оцинкованная сталь, алюминий, титан и множество других сплавов, которые различаются по составу. Узнайте больше о том, как Marlin может помочь вам определить, что вам нужно в металлических изделиях, а затем изготовить их для вас уже сегодня!

Различия между жесткостью и прочностью металла

Рисунок 1
На кривой зависимости деформации от напряжения, созданной во время испытания на растяжение, наклон на линейном участке в начале определяет модуль Юнга.Первое отклонение от линейности - это предел текучести.

Термины «прочность» и «жесткость» часто используются как синонимы, но они имеют разное значение и значение.

Прочность

Прочность - это мера напряжения, которое может быть приложено к материалу до того, как он необратимо деформируется (предел текучести) или разрушается (предел прочности). Если приложенное напряжение меньше предела текучести, материал возвращается к своей исходной форме, когда напряжение снимается.Если приложенное напряжение превышает предел текучести, происходит пластическая или остаточная деформация, и материал больше не может вернуться к своей исходной форме после снятия нагрузки.

Имейте в виду, что эта остаточная деформация является целью штамповки. Исходной формой является плоский листовой металл, а формованные компоненты должны постоянно сохранять свою форму. Если выбранный листовой металл не может быть сформирован в желаемую форму при выбранных условиях обработки, приложенные напряжения выше, чем предел прочности листового металла, что вызывает образование трещин в детали.

Прочность материала зависит от его химического состава, способа термомеханической обработки (например, преобразование толстого сляба в тонкий лист) и последующей термообработки. Эти переменные не позволяют утверждать, что один материал всегда прочнее другого. Например, многие марки алюминия прочнее марок стали, но редко предназначены для одного и того же применения.

Жесткость

Жесткость относится к тому, как компонент изгибается под нагрузкой, сохраняя при этом свою исходную форму после снятия нагрузки.Поскольку размеры компонентов не изменяются после снятия нагрузки, жесткость связана с упругой деформацией.

С одной стороны, резиновая лента является примером материала с низкой жесткостью - она ​​может выдерживать большую деформацию и все еще возвращаться к своим первоначальным размерам при снятии нагрузки. С другой стороны, материал с высокой жесткостью, такой как алмаз, будет упруго деформироваться лишь на небольшую величину при приложении нагрузки.

Жесткость компонента зависит как от материала, так и от геометрии.Что касается материала, жесткость зависит от модуля упругости, также известного как модуль Юнга и сокращенно Е. Модуль Юнга - это отношение напряжения к деформации при очень малых деформациях. На кривой напряжение-деформация, созданной во время испытания на растяжение, наклон на линейном участке в начале - это место, где определяется модуль. Первое отклонение от линейности - это предел текучести (см. , рис. 1, ).

В отличие от прочности, которая может варьироваться от марки к марке или даже от рулона к рулону, модуль Юнга постоянен для данного металла и не зависит от термической обработки, обработки или холодной обработки.Модуль Юнга для стали (29 миллионов фунтов на квадратный дюйм) в три раза больше, чем у алюминия (10 миллионов фунтов на квадратный дюйм). Это означает, что при фиксированной геометрии деталь, сделанная из стали, будет в три раза жестче, чем если бы она была сделана из алюминия. Другими словами, алюминиевая деталь под нагрузкой будет прогибаться в три раза больше, чем стальная деталь, нагруженная аналогичным образом.

Толщина и форма формованной детали также влияют на ее жесткость. Жесткость пропорциональна кубу толщины. Чтобы нейтрализовать алюминий, который составляет одну треть жесткости стали, алюминиевая деталь должна быть на 44 процента толще, чем стальная.Даже при такой увеличенной толщине есть потенциал для снижения веса, поскольку плотность алюминия составляет одну треть от плотности стали.

Большая форма детали также увеличивает жесткость. Лист бумаги непрочный, но складка в центре делает его более жестким. Вытачки, бусинки и ребра - это формы, которые можно добавлять к деталям, чтобы ограничить изгиб. На частях поверхности, видимых потребителю, они называются характерными линиями или символьными линиями, выделенными из-за их эстетических преимуществ.

Рисунок 2
Ребра добавлены к конструкциям кузова грузовика, чтобы повысить общую жесткость. (Источник: www.tfltruck.com/2014/11/2015-ford-f-150-2-7l-v6-ecoboost-first-impressions-w-video)

Например, панели, которые составляют платформу пикапа (см. , рис. 2 ), являются одними из самых плоских на грузовике. Тем не менее, на рынке нет грузовика, который был бы разработан без этих ребер, которые помогли бы увеличить общую жесткость.

Однако листовой металл должен быть достаточно податливым, чтобы приспособиться к дополнительным формам. Ребра в панели кузова грузовика могут быть не очень глубокими, но металл необходимо растягивать на короткие расстояния. Также необходим штамповочный пресс большей мощности, чтобы создавать необходимые силы по всей панели.

Алюминий против стали в автомобилях

Для панелей обшивки, таких как капоты, двери и подъемные двери, автопроизводители предпочитают использовать листовой металл с максимально высокой прочностью, чтобы панель имела достаточную стойкость к вмятинам.Толщина также влияет на сопротивление вмятинам, ограничивая степень уменьшения толщины панели для уменьшения веса.

Ограничения жесткости дополнительно ограничивают толщину панелей обшивки. Если панели слишком тонкие, они могут начать раскачиваться и трепетать при движении автомобиля по дороге - если только линии символов не добавлены для дополнительного стиля.

Хотя это может показаться очевидным, автопроизводителям также необходимо указать продукт из листового металла, который может быть произведен в соответствии со стандартами поверхности класса А.Современные технологии ограничивают это листовой сталью или алюминием с прочностью менее 45 000 фунтов на квадратный дюйм. Соединение не является серьезным препятствием, поскольку существует несколько экономичных методов соединения внешней панели с внутренней.

При одинаковой верхней прочности, доступной для любого материала, и нескольких марок от нескольких поставщиков любого металла, которые могут быть произведены достаточно тонкими, тот, который предлагает наилучшее сочетание стоимости и экономии веса, станет оптимальным выбором для приложений навесных панелей. .

Применение

в конструкции кузова связано с различными проблемами. Жесткость важна для обработки, а также шума, вибрации и резкости (NVH). В дополнение к внутренней жесткости, связанной с материалом и геометрией детали, характеристики NVH можно улучшить с помощью легких вспененных полимеров. С другой стороны, сопротивление столкновению более тесно связано с силой. Для той же конструкции сталь имеет значительное преимущество в доступных вариантах. Если поверхность класса A не требуется, в продаже имеются марки стали с пределом прочности на разрыв, превышающим 230000 фунтов на квадратный дюйм.

Это не означает, что алюминиевые конструкции кузова невозможны. На рынке есть много примеров, хотя они склоняются к более дорогим автомобилям, в которых облегчение для повышения экономии топлива не является основной проблемой, а стоимость листового металла составляет меньший процент от цены сделки.

Улучшенная ударопрочность будет обеспечиваться за счет более высокой прочности, а также компонентов, которые имеют ударопрочную конструкцию, например, закрытые секции, фланцы большего размера или более высокую форму - все это может потребовать большей пластичности от более прочных марок алюминия.

Кроме того, эти части должны соединяться прочно, быстро и экономично. Ford потратил почти 1 миллиард долларов на реконструкцию завода F150 для штамповки и сборки алюминиевой кабины и кровати и соединения их со стальной рамой. Это финансовое препятствие может ограничить количество автопроизводителей, готовых пойти ва-банк и создать кузов с высоким содержанием алюминия.

Дэниел Шеффлер - президент Engineering Quality Solutions Inc., P.O. Box 187, Southfield, MI 48037, 248-667-8335, sales @ eqsgroup.com, www.eqsgroup.com и главный контент-директор 4M Partners LLC, P.O. Box 71191, Rochester Hills, MI 48307, www.learning4m.com.

Основы инженерного дела Обновить: прочность и жесткость против твердости

Понимание механических свойств прочности, жесткости и твердости является основополагающим в машиностроении, однако эти свойства часто можно спутать. Эти свойства связаны, но между ними есть очень важные различия:

  • Жесткость - это индикатор тенденции элемента возвращаться к своей исходной форме после воздействия силы.
  • Strength измеряет, какое напряжение можно приложить к элементу, прежде чем он деформируется окончательно или сломается.
  • Твердость измеряет сопротивление материала поверхностной деформации. Для некоторых металлов, таких как сталь, твердость и предел прочности примерно пропорциональны (см. Таблицы стали ASTM A 370-68).

В этой статье мы обновим основы, рассмотрев некоторые распространенные ошибки при идентификации между механической прочностью и прочностью.жесткость по сравнению с твердостью, технические различия между ними и их значение при выборе материалов для разработки продукта.

Общие подводные камни: прочность против жесткости и жесткость

Особенно легко спутать разницу между прочностью и жесткостью. Если материал жесткий, он должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать большую нагрузку, верно? Следовательно, разве сила и жесткость не одно и то же? Ответ - решительное нет! Материал может быть прочным и эластичным или прочным и жестким (см. Раздел «Осевая нагрузка на прямой элемент»), но прочность и жесткость - это два разных качества.

Давайте разберемся.

Поскольку жесткость и прочность связаны с модулем упругости материала (модулем Юнга), легко найти значение в справочнике по свойствам материала и определить прочность и / или жесткость данного материала. Модуль упругости измеряет жесткость материала, но прочность зависит от модуля. И предел прочности, и твердость являются показателями сопротивления металла пластической деформации.

Кривая напряжения-деформации (рис. 1) выше является хорошим способом графической демонстрации этого.Отношение напряжения к деформации - это модуль упругости - жесткость, но напряжение, и только напряжение, определяет прочность материала. Помните, что прочность измеряет, какое напряжение может выдержать материал до того, как произойдет остаточная деформация или разрушение, тогда как жесткость измеряет сопротивление упругой деформации.

Понимание концепций напряжения и деформации

Напряжение - это внутренняя сила, возникающая в результате приложенной нагрузки; он действует на поперечное сечение механического или конструктивного элемента.Деформация - это изменение формы или размера тела, которое происходит при приложении силы.

Важные определения прочности, жесткости и твердости

Вот несколько важных определений, о которых следует помнить:

  • Предел текучести используется в материалах, которые проявляют эластичность. Это максимальное растягивающее напряжение, которое может выдержать материал до возникновения остаточной деформации.
  • Предел прочности означает максимальное напряжение перед разрушением.
  • Прочность на излом - это значение, соответствующее напряжению, при котором происходит полное разрушение.
  • Жесткость - это то, как компонент сопротивляется упругой деформации при приложении нагрузки.
  • Твердость - сопротивление локальной деформации поверхности.

Прочность материала может относиться к пределу текучести, пределу прочности или прочности на излом. Предел прочности на разрыв можно рассчитать по твердости, и это удобно, потому что испытания на твердость, такие как испытания по Роквеллу, обычно просты в выполнении, недороги и неразрушают.Образец подвергается лишь небольшому проникновению. Для многих металлов предел прочности на растяжение увеличивается с увеличением твердости. *

Получение данных о механических свойствах

Данные о механических, тепловых или электрических свойствах для конкретных типов материалов можно получить в Американском обществе по испытанию материалов (ASTM) или проконсультироваться. веб-сайт производителя, на котором вы планируете приобретать материалы.

* Это НЕ относится ко всем материалам, но для многих металлических материалов твердость очень хорошо коррелирует с пределом прочности на разрыв.Подробнее см. Таблицы ASTM A 370-68.

Надежным онлайн-источником является www.MatWeb.com, где можно быстро получить точные данные.

Примеры: прочность в зависимости от жесткости

Отклонение балки

На изображении ниже представлен анализ методом конечных элементов (МКЭ) балки, подвергшейся нагрузке. Реакция балки на нагрузку - это прогиб в результате внутреннего изгиба и напряжения сдвига. Если внутренние напряжения превышают предел текучести материала балки, вам нужен материал с более высоким значением модуля Юнга - другими словами, более жесткий материал, чтобы противостоять деформации, а также более высокий предел текучести, чтобы предотвратить остаточную деформацию и возможное разрушение. .

Осевая нагрузка на прямой элемент

Представьте себе растянутый металлический стержень, подвергнутый осевой нагрузке некоторой величины. Внутренние напряжения вызывают деформацию на 1% от исходной длины металла, когда он ломается при 100 фунтах-силах. Затем рассмотрим некоторый каучукоподобный полимер в форме стержня, который подвергается той же силе, но деформируется на 5% своей исходной длины и ломается при 100 фунтах-силах. Ключевой момент: оба материала одинаково прочны, но металл жестче полимера.

Термическое напряжение

Термическое напряжение также влияет на реакцию деформации компонента, который уже подвергается действию некоторой силы.В этом случае из-за температурного градиента внутри элемента тепловое напряжение вызывает дополнительную деформацию к деформации, уже вызванной силами, действующими на нее. Термическое напряжение влияет на прочность материалов. Расчет термического напряжения дает представление о выборе значений жесткости и прочности, подходящих для вашей конструкции, при условии, что разница температур недостаточно велика, чтобы изменить микроскопические свойства материала!

4 Лучшие практики проектирования для обеспечения прочности и жесткости

Вот 3 передовых метода, которые следует учитывать в процессе проектирования:

1.Определите важные компоненты на ранних этапах проектирования

На ранних этапах проектирования, например, при построении модели САПР, определите, какие компоненты будут критически важны для вашего проекта. Определите, какие из них будут подвергаться ударным нагрузкам, равномерным нагрузкам, сосредоточенным нагрузкам, постоянным нагрузкам и т. Д., Чтобы получить представление о жесткости или прочности, необходимой для ваших компонентов. При необходимости разработайте графические представления сложных динамических систем, используя моделирование графов связей или блок-схем, и используйте программное обеспечение для моделирования сложных систем.

2. Определите силы, приложенные к каждому компоненту

Рассчитайте ожидаемые нагрузки на механические компоненты, чтобы выяснить, где могут возникнуть проблемы или где силы могут показаться большими. Измерьте, как дизайн реагирует на различные входные данные, с помощью инструментовки и проведите анализ данных, чтобы спрогнозировать поведение вашей модели. Учитывайте переменные ползучести и усталости в подсистемах, связанные с окружающей средой, в которой будет находиться ваша система.

3.Рекомендации по выбору материалов

Металлы, керамика, полимеры и композиты - это типы материалов с особыми механическими свойствами. Керамика обычно хрупкая, а это означает, что перед разрушением практически не происходит деформации; трещины могут распространяться очень быстро, с очень небольшой сопутствующей пластической деформацией. Металлы проявляют два режима: пластичный и хрупкий. Пластичный материал сопровождается пластической деформацией до разрушения, а хрупкий - нет.

Процесс разрушения пластичных металлов обычно происходит в несколько стадий - пластичность или хрупкость полимеров зависит от температуры.Что касается сырья, определите, какие производственные процессы обеспечат вам желаемые свойства материала. Испытания материалов должны соответствовать стандартам ASTM; обратитесь к техническим справочникам, чтобы получить надежные данные о материалах.

4. Проверьте свои проекты перед прототипированием

Выполните проектные исследования с помощью программного обеспечения САПР для оценки и оптимизации геометрии вашего проекта. Используйте анализ FEA, численный анализ; и, когда это возможно, выполняйте ручные расчеты, чтобы убедиться, что результаты согласуются, прежде чем приступить к созданию прототипа, чтобы сэкономить время и деньги.Проконсультируйтесь с другими инженерами для проверки.

Основные выводы

Правильное использование и реализация жесткости, прочности и других механических свойств в процессе проектирования будет способствовать повышению качества продукции, поскольку эти свойства характеризуют то, как материал будет реагировать на приложенные нагрузки. Четкое понимание предполагаемого использования продукта является ключом к выбору соответствующих свойств материала, которые будут способствовать экономичному проектированию при сохранении стандартов безопасности, структурной целостности и достижения желаемых характеристик.

Модуль упругости Юнга для металлов и сплавов

Эластичность материала удобно выражать с помощью отношения напряжения к деформации, параметра, также называемого модулем упругости при растяжении или модулем Юнга материала - обычно с помощью символа - E .

  • Модуль Юнга можно использовать для прогнозирования удлинения или сжатия объекта.

Модуль упругости для некоторых распространенных металлов при различных температурах согласно ASME B31.1-1995:

  • 1 фунт / дюйм (фунт / дюйм 2 ) = 1 фунт / дюйм (фунт / дюйм 2 ) = 144 фунт / дюйм (фунт на / фут 2 ) = 6 894,8 Па (Н / м 2 ) = 6,895x10 -3 Н / мм 2
  • T ( o C) = 5/9 [T ( o F) - 32]

Для полный стол с более высокими температурами - поворот экрана!

33 903 -129 9025 9025 9025 9025 9025 9025 905 9025 9025 9025 9025 27,1 905 905 905 905 905 905 905 стали Cr / 2 905 905 Cr / 2 стали6 905 905 905 905 28 24,8 905 905 905 905 238 стали Cr 2 1/4% - 3%2 905 905

9025 905 латунь Si & Al бронза (C46400, C65500, C95200, C95400)

905 905 Никель 905 и никель 905 N04400)
Модуль упругости Юнга - E - (10 6 фунт / кв. Дюйм)
Металл Температура ( o C)
-73 21 93 149 204 260 316 371 427 482 538 594 9039 904 о F)
-325-200-100 70 200 300 400 500 600 700 800 800 800 1100 1200
Чугун
Серый чугун 13 .4 13,2 12,9 12,6 12,2 11,7 11,0 10,2
Сталь 3025 905 905 905 905 Углеродистая сталь 30,2 29,5 28,8 28,3 27,7 27,3 26,7 25,5 24,2 22,4 20.4 18,0
Углеродистая сталь C => 0,3% 31,2 30,6 30,0 29,3 28,6 28,1 27,5 28,1 27,5 22,2 20,2 17,9 15,4
Углерод-молибденовые стали 31,1 30,5 29,9 29,2 28.5 28,0 27,4 27,0 26,4 25,3 23,9 22,2 20,1 17,8 15,3
28,5 27,8 27,1 26,7 26,1 25,7 25,2 24,6 23,0%
31,0 30,4 29,7 29,0 28,5 27,9 27,5 26,9 26,3 25,5 24,8 32,6 32,0 31,4 30,6 29,8 29,4 28,8 28,3 27,7 27.1 26,3 25,6 24,6 23,7 22,5
Cr-Mo стали Cr 5% - 9% 32,9 32,3 31,7 30525 905 9025 9025 9025 30,9 29,0 28,6 28,0 27,3 26,1 24,7 22,7 20,4 18,2
Хромистые стали Cr 12%, 17%, 2728% 30,7 30,1 29,2 28,5 27,9 27,3 26,7 26,1 25,6 24,7 23,205 9025 905 285 905 28 23,2 905 905 9025 TP304, 310, 316, 321, 347) 30,3 29,7 29,1 28,3 27,6 27,0 26,5 25,8 25.3 24,8 24,1 23,5 22,8 22,1 21,2
Медь и медные сплавы
Комп. и свинцовая Sn-бронза (C83600, C92200) 14,8 14,6 14,4 14,0 13,7 13,4 13,2 12,9 12,5 15.9 15,6 15,4 15,0 14,6 14,4 14,1 13,8 13,4 12,8 9025 905 905 905 16,0 15,6 15,4 15,0 14,7 14,2 13,7
Медь красная латунь Al200 C14200612 (C1200200) ) 18.0 17,7 17,5 17,0 16,6 16,3 16,0 15,6 15,1 14,5
27,8 27,3 26,8 26,0 25,4 25,0 24,7 24,3 24,1 23.7 23,1 22,6 22,1 21,7 21,2
Титан
Нелегированный титан марок 1, 2, 3 и 7 905 14,0 13,3 12,6 11,9 11,2
Алюминий и алюминиевые сплавы
Сплавы 443, 1060, 1125400, 30028 11001 10,8 10,5 10,0 9,6 9,2 8,7
  • 4 lb32 1 фунт / дюйм 2 (Па)
  • T ( o C) = 5/9 [T ( o F) - 32]

Примечание! Вы можете использовать конвертер единиц давления для переключения между единицами модуля упругости.

Жесткость и прогиб: механические свойства материалов

В предыдущем посте мы рассмотрели кривую «напряжение-деформация» и ее связь с различными аспектами прочности материала - например, пределом прочности на растяжение, пределом текучести и пределом прочности на излом.И хотя мы часто думаем о материалах и конструкциях с точки зрения прочности, технически «прочность» - это мера того, сколько силы может выдержать материал до постоянной деформации или разрушения . Однако для правильной работы линейных направляющих, приводов и других компонентов движения, как правило, более важно знать, какое отклонение объект будет испытывать при данной нагрузке - другими словами, более важным свойством является жесткость объекта .


Жесткость материала указывает на его способность возвращаться к своей исходной форме или форме после снятия приложенной нагрузки.


Когда материал подвергается нагрузке - его собственный неподдерживаемый вес, внешняя приложенная нагрузка или и то и другое - он испытывает напряжение и деформацию. Напряжение (σ) - это внутренняя сила, действующая на материал, вызванная нагрузкой, а деформация (ε) - это деформация материала, возникающая в результате этого напряжения. Отношение напряжения (силы на единицу площади) к деформации (деформации на единицу длины) называется модулем упругости, обозначаемым E.

Отношение напряжения к деформации также называется модулем упругости материала, модулем упругости при растяжении или модулем Юнга.


Согласно закону Гука, модуль упругости - это наклон линейного участка кривой зависимости напряжения от деформации вплоть до пропорционального предела (также называемого «пределом упругости»), обозначенного ниже точкой A.

Прочный материал выдерживает высокие нагрузки без остаточной деформации.Жесткий материал может выдерживать высокие нагрузки без упругой деформации. Другое свойство материала, которое иногда путают с прочностью или жесткостью, - это твердость. Твердость определяет способность материала противостоять локальной (поверхностной) деформации, часто из-за трения или истирания.


В отличие от прочности, жесткость материала или модуль упругости является неотъемлемым свойством материала, и внешние факторы, такие как температура или обработка материала, очень мало влияют на его ценность.

Важно отметить, однако, что в практических приложениях жесткость конструкции зависит как от модуля упругости материала, так и от геометрии конструкции с точки зрения плоского момента инерции (также называемого вторым моментом площади). Планарный момент инерции I выражает распределение площади материала вокруг оси движения.


Произведение модуля упругости и планарного момента инерции иногда называют жесткостью материала при изгибе (EI).


В уравнениях для прогиба оба фактора жесткости - модуль упругости (E) и планарный момент инерции (I) - фигурируют в знаменателе. Это имеет смысл, потому что прогиб обратно пропорционален жесткости.

Полный прогиб свободно опертой балки с точечной нагрузкой в ​​центре. Обратите внимание, что модуль упругости (E) и планарный момент инерции (I) находятся в знаменателе обеих частей уравнения.
Изображение предоставлено википедией.com

Другими словами, чем выше модуль упругости материала и выше планарный момент инерции объекта, тем меньше конструкция будет прогибаться при данной нагрузке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *