Машиностроительные материалы. Сопротивление материалов

1. Мощность



Мощность – физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

Эффективная мощность, мощность двигателя, отдаваемая рабочей машине непосредственно или через силовую передачу. Различают полезную, полную и номинальную Э. м. двигателя. Полезной называют Э. м. двигателя за вычетом затрат мощности на приведение в действие вспомогательных агрегатов или механизмов, необходимых для его работы, но имеющих отдельный привод (не от двигателя непосредственно). Полная Э. м. – мощность двигателя без вычета указанных затрат. Номинальная Э. м., или просто номинальная мощность, – Э. м., гарантированная заводом-изготовителем для определённых условий работы. В зависимости от типа и назначения двигателя устанавливаются Э. м., регламентируемые стандартами или техническими условиями (например, наибольшая мощность судового реверсивного двигателя при определённой частоте вращения коленчатого вала в случае заднего хода судна – так называемая мощность заднего хода, наибольшая мощность авиационного двигателя при минимальном удельном расходе топлива – так называемая крейсерская мощность и т.п.). Э. м. зависит от форсирования (интенсификации) рабочего процесса, размеров и механического кпд двигателя.



– средняя мощность



– мгновенная мощность



Так как работа является мерой изменения энергии, мощность можно определить также как скорость изменения энергии системы.

В системе СИ единицей измерения мощности является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду.

Другой распространённой единицей измерения мощности является лошадиная сила.



Соотношения между единицами мощности

Единицы

Вт

кВт

МВт

кгс·м/с

эрг/с

л. с.

1 ватт

1

10-3

10-6

0,102

107

1,36·10-3

1 киловатт

103

1

10-3

102

1010

1,36

1 мегаватт

106

103

1

102·103

1013

1,36·103

1 килограмм-сила-метр в секунду

9,81

9,81·10-3

9,81·10-6

1

9,81·107

1,33·10-2

1 эрг в секунду

10-7

10-10

10-13

1,02·10-8

1

1,36·10-10

1 лошадиная сила[2]

735,5

735,5·10-3

735,5·10-6

75

7,355·109

1



Если на движущееся тело действует сила, то эта сила совершает работу. Мощность в этом случае равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется тело:







F – сила, v – скорость, α – угол между вектором скорости и силы.

Электрическая мощность – физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.

Приборы для измерения мощности

Ваттметр

Варметр

Фазометр




2. Основные понятия: сопротивление материалов



Сопротивление материалов, наука о прочности и деформируемости элементов (деталей) сооружений и машин. Основные объекты изучения Сопротивление материалов – стержни и пластины, для которых устанавливаются соответствующие методы расчёта на прочность, жёсткость и устойчивость при действии статических и динамических нагрузок. Сопротивление материалов базируется на законах и выводах теоретической механики, но, помимо этого, учитывает способность материалов деформироваться под действием внешних сил. Физико-механические характеристики (предел текучести, предел прочности, модуль упругости и т.п.), необходимые для оценки прочности и деформативности материалов, определяются при помощи испытательных машин и специальных измерительных приборов – тензометров. При испытаниях обеспечиваются требуемые условия загружения и высокая точность измерения деформаций испытываемых образцов материалов. Наиболее характерно испытание на растяжение образцов, представляющих собой стержни круглого сечения или полосы с сечением в виде узкого прямоугольника. По результатам этих испытаний строится т. н. диаграмма растяжения-сжатия. Располагая диаграммой испытания и пользуясь разработанными в Сопротивление материалов методами расчёта, можно предсказать, как будет вести себя реальная конструкция, изготовленная из того же материала.

Основное содержание и методы сопротивление материалов. При деформации твёрдого тела под нагрузкой изменяется взаимное расположение его микрочастиц, вследствие чего в теле возникают внутренние напряжения. В Сопротивление материалов определяются наибольшие напряжения в элементах сооружений или деталях машин. Они сравниваются с нормативными величинами, т.е. с напряжениями, которые можно допустить, не опасаясь повреждения или разрушения этих элементов (деталей). Проверке подлежат также деформации тела и перемещения его отдельных точек. Помимо необходимой прочности, конструкция должна быть также устойчивой, т.е. обладать способностью при малых случайных кратковременных воздействиях, нарушающих её равновесие, лишь незначительно отклоняться от исходного состояния. Выполнение этого требования зависит от внешних сил, геометрии элемента (детали) и от физических констант материала.

Для расчёта элементов конструкций в Сопротивление материалов разрабатываются приближённые инженерные методы, использующие кинематические и статические гипотезы, которые в большинстве случаев оказываются достаточно близкими к действительности. При выводе расчётных формул для определения напряжений и перемещений производится схематизация рассчитываемого элемента сооружения, его опорных закреплений и действующей нагрузки, иначе говоря, создаётся расчётная схема (модель) объекта.

При построении общей теории расчёта в Сопротивление материалов рассматриваются т.н. идеализированные тела со свойствами, лишь приближённо отражающими поведение реальных объектов. Тела считаются однородными (со свойствами, одинаковыми во всех точках), сплошными (без пустот), обладающими упругостью (способностью восстанавливать свои размеры после снятия нагрузки), изотропными (с одинаковыми упругими свойствами по всем направлениям). На основе изучения простейших деформаций – растяжения-сжатия, кручения, изгиба в Сопротивление материалов выводятся формулы, позволяющие для каждого из этих видов деформаций определять напряжения, перемещения и деформации в отдельных точках тела. При наличии одновременно двух или нескольких простейших деформаций, протекающих в упругой стадии (для которой справедлива линейная зависимость между напряжением и деформациями), напряжения и деформации, найденные отдельно для каждого вида, суммируются.

Многие материалы (например, бетон) обладают свойством ползучести, вследствие которой деформации могут возрастать со временем при неизменной нагрузке. В Сопротивление материалов устанавливаются законы развития ползучести и время, в течение которого она заметно проявляется, а также рассматривается воздействие на стержень ударной нагрузки, при которой возникают динамические напряжения; последние определяются по приближённым формулам, выведенным на основе ряда допущений. При расчёте элементов сложной формы, для которых аналитические формулы вывести не удаётся, применяют экспериментальные методы (например, оптический, лаковых покрытий, муаровых полос и др.), позволяющие получать наглядную картину распределения деформаций по поверхности исследуемого элемента (детали) и вычислять напряжения в его отдельных точках. Наибольшую трудность представляет определение т. н. остаточных напряжений, которые могут возникать в элементах конструкций, не несущих нагрузки (например, при сварке или в процессе прокатки стальных профилей).

Одна из важных задач Сопротивление материалов состоит в создании т. н. теорий прочности, на основе которых можно проверить прочность элементов в сложном напряжённом состоянии, исходя из прочностных характеристик, полученных опытным путём для простого растяжения-сжатия. Существует ряд теорий прочности; в каждом отдельном случае пользуются той из них, которая в наибольшей степени отвечает характеру нагружения и разрушения материала.

Историческая справка. История Сопротивление материалов, как и многих др. наук, неразрывно связана с историей развития техники. Зарождение науки о Сопротивление материалов относится к 17 в.; её основоположником считается Галилей, который впервые обосновал необходимость применения аналитических методов расчёта взамен эмпирических правил. Важным шагом в развитии Сопротивление материалов явились экспериментальные исследования Р. Гука (60–70-е гг. 17 в.), установившего линейную зависимость между силой, приложенной к растянутому стержню, и его удлинением (закон Гука). В 18 в. большой вклад в развитие аналитических методов в Сопротивление материалов был сделан Д. Бернулли, Л. Эйлером и Ш. Кулоном, сформулировавшими важнейшие гипотезы и создавшими основы теории расчёта стержня на изгиб и кручение. Исследования Эйлера в области продольного изгиба послужили основой для создания теории устойчивости стержней и стержневых систем. Т. Юнг ввёл (1807) понятие о модуле упругости при растяжении и предложил метод его определения.

Важный этап в развитии Сопротивление материалов связан с опубликованием (в 1826) Л. Навье первого курса Сопротивление материалов, содержавшего систематизированное изложение теории расчёта элементов конструкций и сооружений. Принципиальное значение имели труды А. Сен-Венана (2-я половина 19 в.). Им впервые были выведены точные формулы для расчёта на изгиб кривого бруса и сформулирован принцип, согласно которому распределение напряжений в сечениях, отстоящих на некотором расстоянии от места приложения нагрузки, не связано со способом её приложения, а зависит только от равнодействующей этой нагрузки.

Большие заслуги в развитии Сопротивление материалов принадлежат русскому учёным М.В. Остроградскому, исследования которого в области Сопротивление материалов, строительной механики, математики и теории упругости приобрели мировую известность, и Д.И. Журавскому, впервые установившему (1855) наличие касательных напряжений в продольных сечениях бруса и получившему формулу для их определения (эта формула применяется и в современной практике инженерных расчётов). Всеобщее признание получили исследования Ф.С. Ясинского, разработавшего (1893) теорию продольного изгиба в упругой стадии и за её пределами (рекомендации Ясинского послужили основой для разработки современных нормативных документов в СССР и за рубежом).

В начале 20 в. расширение масштабов применения железобетонных и стальных конструкций, появление сложных машин и механизмов обусловили быстрое развитие науки о Сопротивление материалов были опубликованы классические учебники С.П. Тимошенко по Сопротивление материалов и строительной механике, труды А.Н. Динника по продольному изгибу, устойчивости сжатых стержней и др.

Дальнейшему совершенствованию методов Сопротивление материалов способствовало создание в СССР ряда научно-исследовательских учреждений для проведения исследований в области расчёта конструкций. Появились новые разделы С. м. Большое влияние на развитие Сопротивление материалов оказали труды Н.М. Беляева в области пластических деформаций, А.А. Ильюшина по теории пластичности, Ю.Н. Работнова и А.Р. Ржаницына по теории ползучести. Значительным вкладом в науку о Сопротивление материалов явилась созданная В.З. Власовым теория расчёта тонкостенных стержней и оболочек. Важные фундаментальные исследования выполнены советскими учёными Н.И. Безуховым, В.В. Болотиным, А.Ф. Смирновым, В.И. Феодосьевым и др.

Одна из важнейших задач Сопротивление материалов – установление причин и характера разрушения материалов, требующее всестороннего теоретического и экспериментального изучения процессов, происходящих в микрообъёмах тела, в частности характера возникновения и развития трещин. Установлено существование таких (предельных) напряжений, превышение которых влечёт за собой прогрессирующий рост уже появившихся трещин, приводящий в конечном счёте к разрушению тела. Если напряжения меньше указанного предела, то тело, имеющее трещины, находится в состоянии трещиноустойчивости. В некоторых случаях под действием нагрузки разрушения в микроэлементах распространяются на весь объём тела (особенно при высоких температурах). Исследование этих вопросов требует создания нового важного раздела механики деформируемого тела – механики разрушения. Ещё недостаточно изучен ряд вопросов т. н. усталостной прочности материалов, в частности прочность элементов (деталей) машин при их длительном циклическом нагружении.

В связи с появлением новых конструкционных материалов (например, пластмасс, лёгких сплавов) возникла необходимость создания теорий прочности, отражающих специфические свойства этих материалов. Современные технологические процессы (например, с применением высоких давлений) позволяют получать материалы с весьма высокой прочностью, поведение которых под нагрузкой недостаточно изучено и требует целенаправленных исследований.



3. Машиностроительные материалы



Чугун ВЧ50 ГОСТ 7293–85. Высокопрочный чугун, предел прочности на растяжение 50 кгс/мм2.

Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации.

Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений.

Для получения шаровидного графита чугун модифицируют чаще путем обработки жидкого металла магнием (0,03–0,07%) или введением 8–10% магниевых лигатур с никелем или ферросилицием.

Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие свойствам литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т.д.

Чугун ВЧ 50, имеет =2% и 180–260 HB. Вязкость разрушения перлитных чугунов составляет 180–250 Нмм3/2. Температура плавления tпл1200С, Т=35 кгс/мм2, теплоемкость (при 0С) 0,129 ккал/кгград, теплопроводность (при 20С) 43 ккал/мчград, плотность 7,4 г/см3, удельное сопротивление 0,5 Оммм2/м.

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений, отливки ЧШГ подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску).

Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных отраслях народного хозяйства; в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении – для многих деталей прокатных станов; в кузнечно-прессовом оборудовании (например, для шабот-молотов, траверс прессов, прокатных валков); в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей и т.д.

Высокопрочные чугуны применяют и для изготовления деталей станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких давлениях (до 1200 МПа).

АС40 ГОСТ 1414–54 сталь автоматная, легированная свинцом, содержит 0,4% углерода, 1,0–1,5% свинца.

Обрабатываемость резанием является одной из важных технологических характеристик стали. Хорошая обрабатываемость резанием повышает производительность труда и сокращает расход инструмента, что имеет особо важное значение для массового производства.

Поэтому в промышленности широко применяют автоматные стали, позволяющие проводить обработку резанием с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и получить высокое качество обрабатываемой поверхности.

Сера в автоматной стали находится в виде сульфидов марганца MnS, т.е. вытянутых вдоль прокатки включений, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки. При повышенном содержании серы уменьшается трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия сульфидов марганца.

Фосфор, повышая твердость, прочность и охрупчивая сталь, способствует образованию ломкой стружки и получению высокого качества поверхности.

Свинец присутствует в стали в виде дисперсных частиц, улучшает обрабатываемость резанием инструментом из быстрорежущей стали.

Автоматные стали хорошо обрабатываются, но склонны к красноломкости, т.е. к хрупкости при горячей механической обработке. Модуль упругости Е=2105 МПа, модуль сдвига G=8,1104 МПа, коэффициент Пуассона =0,25 (при температуре 20С). Твердость по Бринелю 170–200 HB, температура плавления 1400–1500С.

Р12Ф3 ГОСТ 19265–73 быстрорежущая сталь, содержит 12% вольфрама, 3% ванадия.

В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600–650С, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2–4 раза) и стойкость инструментов (в 10–30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими их теплостойкость, являются в первую очередь вольфрам и его химический аналог – молибден. Сильно повышает теплостойкость (до 645–650 С) и твердость после термической обработки (67–70 HRC) кобальт и в меньшей степени ванадий. Ванадий, образуя очень твердый карбид VC, повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость.

Для снижения твердости (250–300), улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали в закалке после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 800–830С. Для придания стали теплостойкости инструменты подвергают закалке и многократному отпуску. Температура закалки стали 1220С. Во избежание образования трещин при нагреве до температуры закалки применяют подогрев инструмента при 800–850С 10–15 минут или при 1050–1100С 3–5 минут, а крупного инструмента, кроме того, еще при 550–600С 15–20 минут. Для получения более высокой твердости 63 HRC и теплостойкости 59 HRC при 620С выдержку при нагреве под закалку увеличивают на 25%. Для уменьшения деформации инструментов применяют ступенчатую закалку в расплавленных солях температурой 400–5000 С. Структура быстрорежущей стали после закалки представляет собой высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3–0,4% С, избыточные нерастворенные карбиды и остаточный аустенит. Обычно содержание остаточного аустенита составляет 28–34%. Остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, и поэтому его присутствие в готовом инструменте недопустимо.

После закалки следует отпуск при 550–5700С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов. Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость). Оптимальный режим отпуска, обеспечивающий наибольшую твердость и высокие механические свойства: 3500С 1 час (первый отпуск) и 560–5700С по 1 часу (последующие два отпуска). Иногда для уменьшения содержания остаточного аустенита непосредственно после закалки инструмент простой формы из быстрорежущей стали охлаждают до -800С. твердость стали после закалки составляет 62–63 HRC, а после отпуска – 63–65 HRC.

Режущие свойства и твердость инструмента, не подвергающегося переточке по всем граням можно повысить низкотемпературным азотированием при 550–5600С. продолжительность процесса 10–30 мин. Твердость слоя 1000–1100 HV и толщина его 0,03–0,05 мм.

Сталь Р12Ф3 применяется в фасонных резцах и резцовых головках на автоматах, в плашках круглых для нарезания твердых металлов, в развертках машинных. Сталь Р12Ф3 с высоким содержанием ванадия нашла применение в чистовых инструментах для обработки вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными свойствами. Эту сталь можно применять для резания металлов с HB 250–280.

МА18 ГОСТ 14957–76 деформируемый магниевый сплав номер 18.

Магниевые сплавы обладают малой плотностью 1,76 г./см3. tпл650C, В=200 МПа, =11,5%, 30–40 НВ. Теплоемкость 0,233 ккал/кгград (при 0C).

Магниевые сплавы, имеющие гексагональную решетку, при низких температурах малопластичны, так как сдвиг происходит только по плоскостям базиса. При нагреве до 200–300C появляются дополнительные плоскости скольжения, и пластичность возрастает, поэтому обработку давлением ведут при повышенных температурах. Чем меньше скорость деформации, тем выше технологическая пластичность магниевых сплавов. Прессование в зависимости от состава сплава ведут при 300–480C, а прокатку в интервале температур от 340–440 (начало) до 225–250C (конец). Штамповку проводят в интервале температур 480–280C в закрытых штампах под прессами. Вследствие текстуры деформации полуфабрикаты (листы, прутки, профили и др.) из магниевых сплавов обнаруживают сильную анизотропию механических свойств. Холодная прокатка требует частых промежуточных рекристаллизационных отжигов.

Так как на воздухе магний легко воспламеняется, то его применяют в пиротехнике и химической промышленности. А благодаря малой плотности, высокой удельной прочности, хорошему поглощению вибрации сплавы магния нашли широкое применение в авиационной и ракетной технике.


Основные принятые обозначения

Обозначения

Термины

Размерность

в

Предел прочности при растяжении

кгс/мм2

т

Предел текучести

кгс/мм2

HB

Твердость по Бринелю

кгс/мм2

HRC

Твердость по Роквеллу

кгс/мм2

HV

Твердость по Виккерсу

кгс/мм2






Список использованной литературы



Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т. 1. М.: Машиностроение, 1982 – 736 с.

2. Ачеркан Н.С. Справочник металлиста: В 3-х т. Т. 2. М.: Машиностроение, 1965 – 678 с.

3. Журавлев В.Н., Николаев О.И. Машиностроительные стали: Справочник, М.: Машиностроение, 1992 – 480 с.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение, М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.