Механические свойства материалов. Под действием внешних сил на элементы энергоустановок возникают внутренние силы

Под действием внешних сил на элементы энергоустановок возникают внутренние силы. Внешние силы по способу приложения могут быть сосредоточенными и распределенными; поверхностными и объемными; статическими и динамическими. Схемы приложения внешних сил представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схемы приложения внешних сил

Внутренние силы определяют методом сечения. Например:

N – нормальная продольная сила.

Кроме того, внутренние силы могут быть представлены поперечными силами, изгибающими моментами и крутящими моментами.

Однако, выявив внутренние силы, еще нельзя судить о прочности тела. Характеристикой прочности является напряжение, то есть величина интенсивности внутренних сил, представляющая собой отношение:

s = N / S, МПа, (1.1)

где S – площадь поперечного сечения тела.

Механические свойства материалов определяют при лабораторных испытаниях: на растяжение [ s_р ], сжатие [ s_сж ], срез [ s_ср ], кручение [ s_кр ], изгиб [ s_из ], усталость [ s_ус ].

Наиболее важными являются испытания на растяжение, которые характеризуются прочностью, пластичностью и твердостью.

Прочностью материала называется его способность противостоять действию напряжений.

Пластичностью материала называют его способность проявлять значительные остаточные деформации без разрушения.

Твердостью называют его способность противодействовать проникновению в него другого более твердого материала. Твердость измеряется по шкале Бринеля (HВ), Роквелла (HRC).

По степени проявления остаточных деформаций все вещества условно разделяют пять групп:

– весьма пластичные (чистый свинец, красная отожженная медь, золото, литой алюминий);

– пластичные (латунь, отожженная малоуглеродистая сталь);

– рупко-пластичные (закаленная углеродистая сталь, пружинная сталь, металлокерамика, ковкий чугун);

– хрупкие (серый литейный чугун);

– весьма хрупкие (инструментальная сталь без отпуска, белый чугун).

Для приближенной оценки свойств пластичности материалов вводится качественная градация по двум признакам: пластичные и хрупкие материалы.

Пластичными считают материалы, которые разрушаются после значительных остаточных деформаций, более 5 %.

Хрупкие материалы разрушаются при небольших остаточных деформациях, менее 5%.

Хрупкие материалы плохо работают на растяжение, не выносят ударов, но хорошо сопротивляются сжатию.

Диаграмма растяжения и напряжений для пластичных материалов представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Диаграмма растяжения и напряжений для пластичных

материалов: Dl – удлинение образца; e = (Dl/l) ∙ 100 % – относительное

удлинение; ОА – упругие деформации, в зоне которых образец практически восстанавливает свою длину при снятии нагрузки; в точке (В) деформация достигает 0, 02 % – напряжение в этой точке называют пределом упругости;

ВС – материал течет без заметной увеличения нагрузки; напряжение, при

котором деформация возрастает без увеличения нагрузки и переходит из

упругой области в упруго-пластичную, называется пределом текучести s_т;

СD – зона упрочнения (наклеп или нагартовка)

Наклеп – это свойство широко используется в технике для поверхностного упрочнения деталей. Например, канаты грузоподъемных устройств подвергают нагрузке выше рабочей, при которой происходит их вытяжка и наклеп.

Однако нужно не забывать, что наклеп сопровождается снижением пластичности, а также возникновением сдвигов и микротрещин, являющихся концентраторами напряжений. Наклеп может быть снят при помощи отжига.

При вальцовке труб в барабане котла или трубок в трубных досках подогревателей происходит деформация металла как трубы, так и отверстия. Необходимо не допускать перевальцовки, что особенно актуально при ремонте и подвальцовке. Для отверстий с диаметром больше допускаемого подбираются трубы с плюсовым допуском.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, называется временным сопротивлением – s_в.

Пределом прочности (s_пч) называется напряжение, которое получается, если разделить нагрузку в точке К на действительную величину площади сечения шейки в момент разрыва.

Механические характеристики материалов даются в справочных таблицах.