Шпаргалки по "Физике"

Таблица 15.2 Ударная вязкость некоторых сталей

Содержание  в стали углерода	Термообработка
	отжиг		закалка и отпуск
	, МПа	, Дж/см2	, МПа	, Дж/см2
0,15	350-450	2,5	360-500	2,5
0,15-0,20	400-500	2,2	450-650	2,0
0,20-0,30	500-600	2,0	550-750	1,5
0,30-0,40	600-700	1,6	700-850	1,2
0,40-0,50	700-800	1,2	800-950	0,9
0,50-0,60	800-900	1,0	900-1050	0,5
0,60-0,70	850-950	0,8	1000	0,3
0,70	950	0,6	1050	0,2

 

 

      Ударная вязкость металла существенно зависит  от температуры испытания. Это особенно относится к металлам и сплавам  с о.ц.к. решеткой, состояние которых изменяется с понижением температуры от вязкого к хрупкому. Испытания показывают, что при понижении температуры сначала наблюдается постепенное снижение ударной вязкости, при определенной температуре она достигает своего наименьшего значения, которое при дальнейшем понижении температуры не изменяется.

      Температуры и называют соответственно верхней и нижней температурами хрупкости, а само явление хладноломкостью. Порог хладноломкости определяется типом кристаллической решетки, количеством примесей внедрения, при этом зависимость наблюдается обратная – чем ниже порог хладноломкости, тем выше ударная вязкость, т.е. ударная вязкость есть функция порога хладноломкости.   

      Для металла в хрупком состоянии  характерны низкие значения ударной  вязкости, мало изменяющиеся в широком  диапазоне изменения температуры (так называемое «нижнее плато» значений ударной вязкости). При вязком состоянии  характерны высокие значения ударной  вязкости («верхнее плато»). Переход  из одного состояния в другое происходит в определенном температурном интервале  – температурном интервале хрупко-вязкого  перехода.

      Для объяснения перехода металлов из хрупкого состояния в вязко-пластичное привлекается известная схема А.Ф.Иоффе, которая учитывает особенности деформирования и разрушения металлических материалов: возможность разрушения путем отрыва (хрупкий характер разрушения) и путем среза (вязкий характер разрушения). Отмечается слабая зависимость сопротивления отрыву от температуры при значительном разбросе этой характеристики и существенное снижение сопротивления течению и сопротивления срезу с повышением температуры (рис.15.4).

      

                                     Рис.15.4  

      Указанное изменение характеристик прочности  и пластичности предопределяют суммарное  изменение ударной вязкости, например , в зависимости от температуры в весьма жестких условиях нагружения, когда довольно четко выявляется так называемая критическая температура хрупкости, или температура хрупко-вязкого перехода . У разных материалов проявляются свои особенности хрупко-вязкого перехода: скачкообразный переход при определенной температуре (рис.15.5, а); наличие области разброса в пределах экстремальных значений, определяющей интервал хрупко-вязкого перехода (рис. 15.5, б); суженная область разброса в определенном интервале температур (рис. 15.5, в).

      

                                                                     Рис.15.5  

      Хрупко-вязкий переход проявляется в изменении  характера излома от хрупкого к вязкому, который также происходит в определенном температурном интервале. В качестве критерия для определения обычно используются сразу два показателя: уровень ударной вязкости в зависимости от предела текучести материала и процент вязкой фазы в изломе. Например, для материалов энергетического оборудования обусловлена определенным уровнем для конкретного материала и не менее 50% вязкой фазы в изломе при температуре +30 ⁰С. Следует отметить, что критическая температура хрупко-вязкого перехода – одна из основных комплексных механических характеристик малоуглеродистых и низколегированных сталей. Следует добиваться использования материала в температурной области, где проявляется вязкий характер его разрушения.       
 
 
 
 
 
 

40 Основы расчета на действие динамических нагрузок: общие положения; расчет 
троса при подъеме груза 

      Определим напряжения в канате грузоподъемного  механизма, к которому подвешен груз массой m (рис. 15.13).

      При равномерном подъеме с постоянной скоростью ускорение движения груза  равно нулю, поэтому напряжения в  канате такие же, как и в том  случае, когда груз висит на канате в состоянии покоя, т.е. , где g - ускорение силы тяжести.

      

                Рис. 15.13  

      Во  время разгона движение груза  неравномерно, и в канате появляются дополнительные напряжения, для определения  которых мысленно остановим груз и приложим к нему силу инерции. Эта  сила направлена в сторону, противоположную  движению груза и равна

       ,

      где v - скорость подъема; - ускорение.

      Наибольшее  усилие в канате соответствует моменту  максимального ускорения груза  во время разгона:

       .

      Следовательно, максимальное напряжение в канате при  подъеме груза

       .

      больше  напряжений при статическом приложении груза  в раз; коэффициент

      

      называется  динамическим коэффициентом.

      Таким образом, для уменьшения растягивающего усилия в канате необходимо обеспечить плавное увеличение скорости подъема, так как при больших ускорениях напряжения в канате могут стать  значительными. График изменения скорости в период разгона должен иметь  вид, представленный на рис. 15.14. Тангенс  наибольшего угла наклона касательной к этой кривой определяет максимальное ускорение движения груза во время подъема.

      

                                     Рис. 15.14  

      При опускании груза в начале движения величина в выражении для будет иметь отрицательный знак. Следовательно, напряжения в канате в этом случае будут меньше напряжений от статического действия груза m.

      Если  канат длинный, то следует учесть массу самого каната и силы инерции  его частиц. В этом случае опасным  будет верхнее сечение каната, усилие в котором

       ,

      где x - длина каната; - плотность материала каната.

      Рассмотрим  горизонтальный брус, поднимаемый вверх  силой S, приложенной посредине бруса (рис. 15.15, а).

      Интенсивность полной погонной нагрузки, состоящей  из собственного веса q бруса и инерционной нагрузки , определяется по формуле (рис. 15.15, б, в)

      

      или

       ,

      где G - вес бруса, - ускорение бруса.

      

                                        Рис. 15.15  

      Сила  S и нагрузка q_сумм вызывают изгиб бруса. Эпюры изгибающих моментов M и поперечных сил Q показаны на рис. 15.15, г, д. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

41 Циклические нагрузки. Усталость материала.  Природа усталости  материала 
 

    Усталость - накопление повреждений в материале, вследствие циклических нагрузок, которые проявляются в виде усталостных трещин.

    Различают многоцикловую и малоцикловую усталость. Четко обозначенной границы между ними нет. Условно считается, что многоцикловая усталость определяется числом циклов - N_P до возникновения разрушения N_P>10⁴, если (1/4< N_P<10⁴), то это относится к малоцикловой.

    При неправильных циклических нагрузках, под влиянием быстро меняющихся воздействий, например обусловленные вибрацией, критическое число циклов, т.е. число  циклов до разрушения, составляет N_P<10⁶ (для МОД N_P≈6-7 суток; СОД N_P≈1,0-1,5 суток; газотурбокомпрессоры для наддува ДВС N_P≈1,5-2,0 часа, паровые турбины N_P≈3,0 часа газовые турбины N_P≈2,5 часа). Долговечность, или число циклов до разрушения простых деталей можно определить, используя известные расчетные зависимости из теории прочности.

    Предел  усталости материала является его  свойством, однако, на  интенсивность развития трещин оказывают влияние условия эксплуатации.

    При разрушении деталей, вследствие усталости,  на поверхности излома наблюдаются две чётко разграниченные зоны. Одна представляет собой  гладкую (притертую) поверхность, которая образуется в результате трения поверхностей трещины при ее смыкании и размыкании, под действием циклических нагрузок - называется зоной разрушения вследствие усталости. Другая образуется в результате излома по границам зёрен - кристаллический излом, при этом поверхность имеет грубую, шероховатую поверхность и является зоной заключительного разрушения – называется зоной мгновенного действия.

    Усталостные разрушения происходят без внешних признаков пластической деформации. Развитие трещины начинается с образования микротрещин, растрескивания по границам зерен, а также вокруг твердых включений. Развитие и распространение микротрещин идет от одного слабого места к другому, ослабляя сечение детали. Когда она охватывает значительную часть сечения, быстро разрушается  и остальная её часть.

    Микротрещины  в отдельных разрозненных зернах неоднородны, аналогично неоднородности структуры - неметаллические включения, поры и др.  Наличие только микротрещин, недостаточно для возникновения усталостного разрушения. Для развития явления усталости необходимо, чтобы вблизи находилось несколько зерен с  усталостной трещиной. Вероятность усталостного разрушения зависит от вероятности нахождения рядом нескольких зерен, в которых напряжения могут достичь значения равного пределу хрупкой прочности. Подобная вероятность увеличивается с ростом размеров детали.

Чем крупнее и массивнее  деталь, тем ниже предел усталости  и  тем больше вероятность наличия слабых мест и дефектов.

На предел усталости  существенно влияет наличие концентраторов напряжений

    Нагрузки, вызывающие напряжения, превышающие  предел упругости, могут привести к  отказам в виде трещин.

    Различают три типа нагрузок: статические, циклические  и динамические.

Циклические нагрузки обычно сопоставляют с усталостными свойствами материала. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

42 Прочность  при  циклических  нагрузках:  расчет  на усталостную  прочность 
цилиндрической клапанной пружины.

     Для цилиндрической клапанной пружины (рис.1) двигателя внутреннего сгорания определить коэффициент запаса прочности  аналитически (по формуле С.В. Серенсена и Р.С. Кинасошвили) и проверить его графически по диаграмме предельных амплитуд, построенной строго в масштабе. Средний диаметр пружины D = 40 мм, диаметр проволоки пружины d = 4 мм. Сила, сжимающая пружину в момент открытия клапана =240 Н, в момент закрытия клапана = 96 Н. Материал проволоки пружины – хромованадиевая сталь с механическими характеристиками: предел текучести = 900 МПа, предел выносливости при симметричном цикле =480 МПа, предел выносливости при отнулевом (пульсирующем) цикле = 720 МПа. Для проволоки пружины эффективный коэффициент концентрации напряжений =1,05, коэффициент влияния качества обработки поверхности = 0,84, коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения = 0,96.