ПРО́ЧНОСТЬ твёрдого тела, свойство сохранять на протяжении определённого времени сплошность, целостность, конфигурацию, размеры, способность к упругой деформации под действием внешних нагрузок разл. природы (механич., термич., электрич., магнитных и др.). В узком смысле П. – механич. свойство реальных твёрдых тел сопротивляться разрушению. Понятие П. играет существенную роль в фундаментальных (физика твёрдого тела, механика сплошных сред и деформируемого твёрдого тела) и прикладных (сопротивление материалов, механика грунтов, материаловедение и др.) науках.
По характеру временно́го изменения, создаваемого внешними нагрузками, различают нагрузки: стационарные, квазистационарные, малоцикловые (действующие периодически с числом циклов <104), циклические (число циклов от 104 до 105), многоцикловые (число циклов >105), динамические и ударные. Соответствующие названия носят и разл. типы П.: статич., динамич., ударная (скорость деформации 10–4–10–7 с), мало- и многоцикловая усталость и т. п. В характеристику П. добавляют также тип внешней нагрузки (напр., термопрочность).
BM: Марка и класс бетона — в чем разница?
Методы определения прочности
Отбор кернов для испытаний на прессе
Первый способ носит название разрушающего метода и состоит в выявлении предельных несущих способностей с испытание контрольных образцов до их полного разрушения.
Эти образцы должны быть изготовлены из того же материала и по той же технологии производства, что и испытуемые строительные конструкции (для вновь возводимых объектов), либо могут быть отобраны непосредственно из готовых строительных конструкций (для существующих объектов).
Определение прочности методом ударного импульса
Разрушающий метод является наиболее точным и результаты, полученные в процессе его выполнения, максимально приближены к реальным физическим характеристикам материалов. К сожалению, далеко не всегда его возможно применить на практике, поэтому наибольшее распространение в обследовании получил другой метод.
Второй способ связан с производством испытаний неразрушающими методами и позволяет сохранить эксплуатационную пригодность рассматриваемого объекта без нарушения его несущей способности, что наиболее приемлемо при обследовании зданий и сооружений, находящихся в эксплуатации.
Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам
Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машин характеризуются большим разнообразием форм и размеров, а также различными условиями эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых — эксплуатационные, технологические и экономические.
Фермы и мосты
Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность.
Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающий надежную и длительную работу материала в заданных условиях эксплуатации.
Условия эксплуатации определяются рабочей средой (жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная и др.), которая может оказывать отрицательное влияние на механические свойства материала. В результате химического и теплового воздействия она может вызывать повреждения поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления, образования окалины и др. Для того чтобы избежать отрицательного воздействия рабочей среды, материал должен обладать не только механическими, но требуемыми физико-химическими свойствами — стойкостью к коррозии, жаростойкостью, хладостойкостью и др.
Температурный диапазон работы современных материалов очень широк, поэтому для обеспечения работоспособности при высокой температуре от материала требуется жаропрочность, а при низкой температуре — хладостойкость.
Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости и простоты изготовления деталей и конструкций. Они оцениваются технологичностью материала, определяемой хорошей обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также требуемой прокаливаемостью и отсутствием деформации и коробления при термической обработке. Технологичность материала определяет, в конечном итоге, производительность и качество изготовления деталей.
Экономические требования — материал должен иметь невысокую стоимость и быть доступным. Так, например, стали и сплавы должны содержать минимальное количество дорогостоящих легирующих элементов. При этом их использование обязательно должно быть обосновано соответствующим повышением эксплуатационных свойств деталей.
Виды неразрушающего контроля
Неразрушающий контроль построен на косвенном определении свойств и характеристик материалов и может быть классифицирован по следующим видам:
Определение прочности методом скалывания ребра
- метод проникающих сред, основанный на регистрации индикаторных жидкостей или газов, находящихся в материале конструкции;
- механические методы испытаний, связанные с анализом местных разрушений, а также изучением поведения объектов в резонансном состоянии (методы скалывания ребра, отрыва со скалыванием, упругого отскока, ударного импульса, пластических деформаций); неразрушающее определение прочности бетона чаще всего выполняется с помощью данных методов;
- акустические методы испытаний, связанные с определением параметров упругих колебаний с помощью ультразвуковой нагрузки и регистрацией эффектов акустоэмиссии;
- магнитные методы испытаний (индукционный, магнитопорошковый и т.д.);
- радиационные испытания, связанные с использованием нейтронов и радиоизотопов;
- радиоволновые методы, построенные на эффекте распространения высококачественных и сверхчастотных колебаний в излучаемых объектах;
- электрические методы, основанные на оценке электроемкости, электроиндуктивности и электросопротивления изучаемого объекта.
Конструкционная прочность и критерии ее оценки
Конструкционная прочность — это комплексная характеристика материала, объединяющая критерии прочности, жесткости, надежности и долговечности.
Критерии прочности материала зависят от условий его работы. При статических нагрузках критериями прочности являются временное сопротивление σв и предел текучести σ0,2 (σт), характеризующие сопротивление материала пластической деформации.
Если материал в процессе эксплуатации испытывает длительные циклические нагрузки, то критерием его прочности является предел выносливости σR(при симметричном круговом изгибе σ-1).
По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем выше допустимые рабочие напряжения и меньше размеры и масса детали.
Критерий жесткости характеризует способность материала сопротивляться деформациям. Он, а не критерий прочности определяет размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых в процессе эксплуатации требуется сохранение точных размеров и формы.
Для ограничения упругой деформации материал этих деталей должен обладать высоким модулем упругости, являющимся его критерием жесткости.
Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов машин и приборов, наоборот, важно обеспечить наибольшие упругие деформации. Для таких материалов критерий жесткости характеризуется высоким пределом упругости и низким модулем упругости.
Надежность — свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным, т. к. происходит при напряжениях ниже расчетных и протекает с большой скоростью.
Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (δ, ψ) и ударной вязкостью (KCU). Однако эти критерии надежности определяются на небольших лабораторных образцах (без учета условий эксплуатации конкретной детали) и являются достаточными лишь для мягких малопрочных материалов. Для менее пластичных материалов с повышенной склонностью к хрупкому разрушению необходимо учитывать дополнительные факторы, влияющие на пластичность и вязкость и увеличивающие вероятность хрупкого разрушения. Это наличие концентраторов напряжений (надрезов), низкие температуры, динамические нагрузки и большие размеры деталей (масштабный фактор).
В этом случае (для избежания внезапных поломок в процессе эксплуатации) необходимо учитывать трещиностойкость материала.
Трещиностойкость — группа параметров надежности, характеризующая способность материала тормозить развитие трещины.
Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механике разрушения. В соответствии с ней очагами разрушения высокопрочных материалов служат небольшие трещины, которые возникают из трещиноподобных дефектов, имеющихся в исходном материале (неметаллические включения, скопления дислокаций и т.п.), в процессе изготовления детали при сварке или термической обработке, а также эксплуатации машины или изделия.
Рисунок 1. Концентрация напряжений вблизи эллиптической трещины
Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчетные напряжения (рисунок 1.1).
Для трещины длиной l и радиусом r (рисунок 1) напряжение в вершине
Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее ее вершина. Для пластичных материалов опасность таких напряжений невелика. В результате
перемещения дислокаций и увеличения их плотности у вершины трещины протекает местная пластическая деформация, приводящая к ее затуплению. Затупление (уменьшение радиуса r) приводит к релаксации (снижению) локальных напряжений и их выравниванию. Дефект перестает играть роль острого концентратора напряжений.
Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам. В силу того, что дислокации заблокированы и пластическая деформация невозможна, при увеличении средних напряжений локальные напряжения повышаются настолько, что вызывают разрыв межатомных связей и развитие трещины. Рост трещины не тормозится, как в пластичных материалах, а ускоряется. После достижения некоторой критической длины наступает самопроизвольный лавинообразный рост трещины, вызывающий хрупкое разрушение.
Для высокопрочных материалов, которые обладают определенной пластичностью, реальную опасность представляют трещины не любых размеров, а только критической длины lкр. Подрастание трещины до lкр тормозится местной пластической деформацией. Однако, при определенном сочетании рабочего напряжения и длины дефекта равновесное положение трещины нарушается, происходят самопроизвольное ее развитие и разрушение материала.
Рисунок 2. Зависимость напряжения от расстояния до вершины трещины
Оценка надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (меньше критического) проводится по критериям Ж. Ирвина. Им предложено два критерия трещиностойкости, из которых наибольшее применение имеет критерий К — коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины. Он определяет растягивающие напряжения σув любой точке (рисунок 2) впереди вершины трещины:
Знаменатель дроби обращается в единицу при х ≈ 0,16, поэтому К численно равен σуна расстоянии 0,16 мм от вершины трещины. Критерий К для наиболее жесткого нагружения (плоская деформация растяжением) обозначают К1, а при достижении критического значения, когда стабильная трещина переходит в нестабильную, —
где α — безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.
Критерий Кlс, имеющий размерность МПа · м1/2, показывает, какого значения (интенсивности) достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения и связывает приложенное среднее напряжение с критической длиной трещины.
Значение Кlсопределяют экспериментально на образцах с надрезом и с заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной.
Значение Кlсзависит от степени пластической деформации у вершины трещины (ее затуплении) и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины. По этой причине критерий Кlсназывают вязкостью разрушения. Чем больше значение Кlс, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и его надежность. Кроме качественной характеристики надежности, Кlсдополняет параметры σ0,2 и Е при расчетах на прочность деталей из высокопрочных материалов (сталей с σв ≥ 1 200 МПа, титановых сплавов с σв ≥ 800 МПа и алюминиевых сплавов с σв ≥ 450 МПа). Этот критерий позволяет определить безопасный размер трещины при известном рабочем напряжении или, наоборот, безопасное напряжение при известном размере дефекта.
Для оценки надежности материала также используют следующие параметры: ударную вязкость КСV и KCT, температурный порог хладноломкости t50, являющиеся качественными параметрами, непригодными для расчета на прочность.
Параметром КСV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.
Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Чем больше параметр КСТ, определенный при рабочей температуре, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации. Так же как и К1с, КСТ учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения.
Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре. Сочетание при таких испытаниях ударного нагружения, надреза и низких температур — основных факторов, способствующих охрупчиванию, важно для оценки поведения материала при экстремальных условиях эксплуатации.
О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t50. При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.
Долговечность — свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причины потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии и др.
Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.
Для большинства деталей машин (более 80 %) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).
Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Она тем выше, чем ниже скорость зарождения и скорость развития трещины усталости.
Износостойкость характеризует сопротивление материала разрушению поверхности путем отделения его частиц под воздействием силы трения. Износостойкость оценивают величиной, обратной скорости изнашивания.
Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:
критерии прочности σв, σ0,2 и σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;
- модули упругости Е, G, которые при заданной геометрии детали определяют величину упругих деформаций, т. е. ее жесткость;
- пластичность δ, Ψ, ударная вязкость КСТ, KСV, КСU, вязкость разрушения К1с, порог хладноломкости t50, которые оценивают надежность материала в эксплуатации;
- циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.
Заказать определение прочности бетона
Нашей организацией производится определение прочности бетона любых строительных конструкций как неразрушающими, так и разрушающими методами.
Для определения стоимости и получения подробной консультации по всем возникшим вопросам Вы можете позвонить по телефону +7 (495) 923-91-29 либо оставить заявку с помощью формы ниже, и мы сами Вам перезвоним.
Источник: pressadv.ru