Основы прочности материалов

Существует два подхода к определению понятия прочности. Во-первых, это чисто физическое понятие, когда под прочностью тела понимают сохранение целостности атомной структуры тела (сил механической связи) под действием внешних или внутренних сил. Во-вторых, это понятие следует рассматривать в инженерном стиле. В этом случае под прочностью понимают такое состояние конструкции, когда она удовлетворяет эксплуатационным требованиям. Состояние, когда элементы конструкции утрачивают возможность удовлетворять эксплуатационным требованиям, называется предельным. Таким образом, с инженерной точки зрения потеря прочности означает наступление предельного состояния. В технике разделяют три предельных состояния: наступление разрушения, развитие чрезмерных деформаций, зарождение и распространение трещины.

В зависимости от того, какие силы межатомной связи превышаются в результате действия внешних или внутренних сил, различают вязкое или хрупкое разрушение. Если превышены силы отрыва, то имеет место хрупкое разрушение, а если силы сдвига - то вязкое.

Разрушение в результате отрыва (хрупкое) сопровождается только упругой деформацией, а пластическая отсутствует. В случае сдвига разрушение (вязкое) сопровождается активным пластическим деформированием. Один и тот же металл может разрушаться как по вязкому, так и по хрупкому механизму. Основным фактором, влияющим на переход металлов из вязкого состояния в хрупкое, является понижение температуры.

Разрушение металлов определяется различными процессами, развивающимися при нагружении. Одним из основных факторов является напряженно-деформированное состояние в локальных объемах тела.

При действии сил на тело в нем возникают напряжения и соответствующие деформации. Деформирование тела при его нагружении может быть представлено диаграммой статического растяжения в координатах Р-ΔL. На диаграмме можно выделить два принципиальных участка. Участки 0-1 и 1-2. На участке 0-1 имеет место упругая деформация. Она характеризуется тем, что ее приращение пропорционально приращению нагрузки, а также тем, что при разгрузке отсутствует какая либо остаточная деформация. На участке 1-2 имеет место пластическая деформация. Ее приращение не пропорционально приращению нагрузки, а при разгрузке имеет место остаточная деформация.

Материал тела, на который осуществляется силовое воздействие, оказывает сопротивление силовому воздействию. Материалы могут иметь различные назначения. Для изготовления несущих конструкций применяется так называемые конструкционные материалы.

Под конструкционными подразумеваются материалы, используемые для изготовления деталей машин и сооружений, в которых в процессе эксплуатации имеют место напряжения от механических, термических и других воздействий. Такие изделия должны подвергаться расчетам на прочность с использованием характеристик сопротивления этих металлов деформированию и разрушению.

По характеру разрушения и деформирования конструкционные материалы разделены на 4 группы: пластичные металлы и сплавы, малопластичные и хрупкие материалы, пластические массы и композиционные материалы. Первая группа - стали, сплавы на основе алюминия, титана и др. Вторая группа - хрупкие материалы (чугун). Третья группа - пластические массы на основе полимеров. Четвертая группа - материалы на основе полимеров, металлов и др. К основным требованиям к конструкционным материалам относятся:

- прочность (определяется составом, состоянием);
- удельная прочность;
- низкая чувствительность к технологическим и другим дефектам (зависимость прочности от различного рода дефектов);
- прочность в условиях высоких температур;
- прочность в условиях низких температур;
- стабильность свойств в процессе эксплуатации (охрупчивание);
- технологичность изготовления и воспроизводимость свойств;
- экономичность производства изделий.

Безусловно, требование обладания прочностью является, в большинстве случаев, определяющим.

Для сварных конструкций наибольшее распространение получили стали и сплавы на основе алюминия и титана.