книги из ГПНТБ / Ростовцев Г.Г. Выбор конструкционных материалов
.pdf
Г. Г. Р О С Т О В Ц Е В
Выбор
конструкционных
материалов
Л Е Н И З Д А Т « 1 9 6 9
|
/ т |
f |
f |
5/ |
|
ГО'О. <1>^/.гЛНАЯ t |
~ ^ |
||
НАУЧН-Т.^/ |
мЧССКАЯ |
|||
i |
КЙЬ.Ч!»ОТ, |
<Л г.*-,;нр |
' |
|
|
Выбор материала для детали новой конструкции |
|||
|
часто не проще определения ее формы, размеров и до |
|||
|
пусков на них. Для выбора материала нужно знать при |
|||
|
мерные размеры- и форму детали, условия ее работы в |
|||
|
конструкции, представлять себе, как ее выполнить, учи |
|||
|
тывать стоимость материала и обработки. Окончательно |
|||
|
же установить размеры, форму и допуски можно лишь |
|||
|
после выбора материала. |
|||
|
В настоящей брошюре кратко излагаются основные |
|||
|
сведения |
о важнейших |
технических, технологических и |
|
экономических характеристиках материалов, влияющих на их выбор, приводятся эти характеристики для со временных металлических, минеральных и органических конструкционных материалов и даются основные ре комендации по их подбору.
В основном брошюра предназначена для рабочихизобретателей, но будет полезна также студентам и мо лодым конструкторам.
Под общей редакцией канд. техн. наук доцента В. Ф. Гущина
Г л а в а |
I |
Основные |
характеристики материалов |
Качество конструкционных материалов, предназна |
|
ченных для нагруженных деталей конструкции, оцени |
|
вается техническими, технологическими и экономически ми характеристиками. Первые оценивают техническую пригодность материала, вторые — условия его обработки при изготовлении конструкции и третьи — стоимость как самого материала, так и его обработки.
Из технических характеристик важнейшие — механи ческие, физические и химические (физико-химические). Эти характеристики зависят не только от материала, но также от температуры и состава окружающей среды, и меняются с их изменением. Влияние температуры тем значительнее, чем ниже температура плавления (размяг чения) материала.
Применяются и комплексные эксплуатационные ха рактеристики, оценивающие стойкость материала к одно временным механическим, физическим и химическим экс плуатационным воздействиям.
1. Механические характеристики материалов
Механические характеристики оценивают поведение материала под нагрузкой, определяются при стандарт ных механических испытаниях образцов материалов и
3
включают в себя критические напряжения, деформации, удельную работу разрушения (ударную вязкость). Мето дика испытаний образцов определена стандартами. На гружение при испытаниях выбирается соответствующим работе материала в конструкции. Так, металлы чаще всего испытывают на растяжение и на ударный изгиб,
каменные |
материалы — на |
сжатие |
и т. п. |
спе |
Если |
условиями испытания |
температура |
||
циально |
не оговаривается, |
она |
принимается |
равной |
20°±2° С.
Недостаточно однородные материалы, древесину, ка менные материалы и другие испытывают на серии образ цов (не менее трех) и определяют средние значения ха рактеристик и средние отклонения частных результатов от вычисленного среднего. При этом максимальные (или минимальные) возможные значения характеристик при нимают равными средним значениям плюс (минус) утро енные значения средних отклонений.
Хрупкие материалы и материалы волокнистой струк туры по-разному сопротивляются сжатию, изгибу и рас тяжению (хрупкие — прочнее на сжатие, волокнистые — на растяжение) и испытываются в соответствии с усло виями работы на сжатие, изгиб и др. Металлы, термо пласты и резины чаще испытывают только на растяже ние. У металлов пластическая деформация полностью не обратима, а у пластмасс и резин после снятия нагрузки деформация постепенно, а при нагревании — быстро ис чезает. Анизотропные материалы с ориентированной структурой (древесина, слоистые и армированные пласти ки) подвергают испытаниям вдоль волокон, перпендику лярно волокнам, вдоль слоев, перпендикулярно слоям.
Важнейшие механические характеристики конструк ционных материалов, условия их определения и обозна чения приводятся ниже.
Основные |
характеристики металлов. Мо д у л ь нор |
м а л ь н о й |
у п р у г о с т и Е — отношение растягиваю |
щего напряжения ст к пропорциональному ему упругому удлинению е:
Г' |
О |
Р-1 |
, о |
Е= |
- = ■„ -.-г |
кг.мм\ |
|
где / — рабочая длина, |
А I — удлинение, F — площадь |
||
поперечного сечения, Р —■растягивающая нагрузка. Кро ме того, модуль нормальной упругости определяют при изгибе, при изгибных и продольных колебаниях и по скорости распространения звука.
П р е д е л п р о п о р ц и о н а л ь н о с т и ар — растя гивающее напряжение, при котором деформация пере стает быть пропорциональной напряжению. Выражается в кг/мм2.
П р е д е л т е к у ч е с т и сгт — растягивающее напря жение, при котором деформация растяжения начинает расти без увеличения нагрузки. Также выражается в
кг/мм2.
Условный предел текучести сто,2 — растягивающее на пряжение, при котором остаточная деформация, превы шающая расчетную упругую, составит 0,2 %.
П р е д е л |
п р о ч н о с т и |
п р и |
р а с т я ж е н и и |
(временное |
сопротивление разрыву) |
ст&— условное на |
|
пряжение, получаемое делением максимальной нагрузки Ятах на площадь первоначального поперечного сече ния F:
аь = |
кг!мм1. |
О т н о с и т е л ь н о е |
у д л и н е н и е б — частное от |
деления остаточного удлинения (разности между длиной
6
сложенных частей разорванного образца Л и первона чальной длиной его /о) на первоначальную длину рабо чей части образца
8 = Л-4> 100%.
/о
При длине рабочей части /0= 5 j/" ^ - (F — площадь попе
речного сечения) относительное удлинение обозначается 65 и будет больше, чем 6ю, полученное у образцов с дли
ной рабочей части
О т н о с и т е л ь н о е с у ж е н и е ф —частное от де ления разности площадей поперечного сечения началь ного и минимального в месте разрыва на первоначальную площадь этого сечения:
Fa —Pi Ф= Fa
Х а р а к т е р и с т и к и т в е р д о с т и м е т а л л о в . Твердость по Бринелю Н В — отношение нагрузки, вдав« ливающей стальной шарик в испытуемый металл, к пло
щади поверхности сферической лунки |
в |
металле: |
|
Р |
2Р |
|
, , |
izDh |
%d V d2 — rf3 |
кг/мм\ |
|
где D — диаметр шарика |
(10; 5; 2,5 мм), |
d — измерен |
|
ный диаметр отпечатка, h — глубина отпечатка. При на грузках, равных численно 30D2, 10Z)2 и 2,5D2 (D — в мм), твердость определяют по таблицам без вычислений. Ме тод рекомендуется, при НВ не выше 450 кг/мм2.
Твердость по Виккерсу HV — отношение нагрузки на стандартную пирамиду при вдавливании ее вершиной в1
1 Перечисленные характеристики определяются при растяжении
образцов с головками и цилиндрической (призматической) рабочей
частью,
6
испытуемый материал к площади поверхности пирами дального отпечатка:
H V — ~ =1,8544 |
кг!мм2, |
где D — диагональ отпечатка. До |
твердости 350 кг/мм2 |
НВ и HV совпадают, а с увеличением твердости значе ния HV возрастают быстрее значений НВ.
Рис. I. Графики различных характеристик твердости металла.
Твердость по Роквеллу HR — условная характери стика, значение которой непосредственно отсчитывается по шкале твердомера. В зависимости от условий опре деления, которые регламентированы ГОСТ 9013-59, раз
личают три значения HR: HRA |
(по |
шкале |
А) — для |
очень твердых материалов, HRB |
(по |
щкале |
В) — для |
мягкой стали и HRC (по шкале С ) — для закаленной стали.
Графическое соотношение между разными стандарт
ными |
характеристиками твердости металлов дано на |
|
рис. |
1. |
металлов ан определяется |
У д а р н а я в я з к о с т ь |
||
при изломе образца размером 10x10x55 мм с закруг ленным надрезом глубиной 2 мм посередине ударом на маятниковом копре и выражается отношением работы излома А к площади поперечного сечения в месте над реза F. Нож маятника ударяет по обратной стороне об разца в месте надреза.
|
-^-=1,25 А |
кг -MjcM2. |
|
Пр е д е л |
п р о ч н о с т и х р у п к и х |
м а т е р и а |
|
л о в пр и |
с т а т и ч е с к о м |
и з г и б е |
сги — макси |
мальное расчетное напряжение при изломе изгибаемого образца с прямоугольным сечением шириной b и высо той h или с круглым сечением диаметром d изгибающим моментом М. Определяется из выражения
т
При изгибе образца, лежащего на опорах с расстоя нием между ними /, посередине силой Р справедлива формула:
OJrt |
Оt'l |
, о |
|
°и= Щ Г |
или |
кг/мм2. |
|
Основные характеристики |
каменных |
материалов. |
|
Пр е д е л п р о ч н о с т и |
на |
с ж а т и е |
(марка) оп |
ределяется при разрушении каменных кубиков сжатием под прессом как отношение максимальной разрушающей нагрузки Р к площади основания кубика:
8
|
Р |
, п |
|
|
кг/см2, |
где а — сторона |
основания. |
- |
П р е д е л п р о ч н о с т и на р а с т я ж е н и е оь |
||
определяют при |
разрыве стандартных образцов («вось |
|
мерок») как отношение разрывной нагрузки к площади наименьшего поперечного сечения (шейки) образца. Можно также определить а>„ сжимая цилиндрический образец перпендикулярно продольной оси, пока он не расколется по диаметральной плоскости. Тогда Оь опре делится по формуле:
_ |
2я |
а» |
itdl ’ |
где Р — разрушающая нагрузка, d — диаметр, / — длина образующей (высота) цилиндра, по которой равномерно распределена нагрузка Р.
Т в е р д о с т ь камня по Моосу НМ определяют, ца рапая проверяемый камень эталонными. Если эталонный камень царапает проверяемый, а сам им не царапается, то эталонный тверже; если они оба царапают друг дру га — их твердости одинаковы; если эталон не царапает проверяемый — он мягче.
За эталоны приняты: тальк — 1, гипс — 2, кальцит — 3, флюорит — 4, апатит — 5, ортоклаз — 6, кварц — 7, топаз — 8, корунд — 9, алмаз— 10. Промежуточную твер дость между двумя эталонными условно считают средней между ними.
Основные механические характеристики древесины.
Предел прочности на сжатие вдоль волокон — давление на торце образца размером 2X2X3 см, разрушающее его. Предел прочности при поперечном изгибе— макси мальное расчетное напряжение изгиба при изломе об разца 2X2X30 см. Предел прочности при скалывании —
9