Материалов изменяются

Следовательно, отношения (4.44) в значительной мере определяются величиной инерционного коэффициента сопротивления (3. Ранее было показано, что диапазоны изменения параметра 0 для различных пористых металлокерамических материалов, изготовленных из металлических порошков, волокон, сеток, близки между собой: /3 = 106...108 м"1. Принимая 0 = 10б м" ! и 5 =0,1 м, получаем /35 = 105. Окончательно при рассматриваемых условиях

В настоящее время пары трения с полимерными материалами чаще применяются для менее ответственных, в смысле точности передачи движения, механизмов, при средних нагрузках и в условиях специальных воздействий, например в агрессивных средах (в этом случае в паре с другим полимером). В общем виде трудно говорить об области применения рассмотренного сочетания материалов, поскольку полимеры дают широкие возможности по получению самых разнообразных свойств для материалов, изготовленных на их основе,

Материалы с переменной плотностью по толщине применяют в конструкциях, нагружаемых перпендикулярно плоскости армирования [38]. У композиционных материалов, изготовленных по схеме 1.2, ж, наружные слои обладают высокой прочностью и жесткостью на изгиб и кручение, а внутренние — достаточным сопротивлением межслойному сдвигу. При наличии волокон, искривленных только в направлении х, изменение угла наклона 6 приводит к улучшению одних характеристик материала и ухудшению других (рис. 1.3). Комбинированная укладка прямых и искривленных волокон в направлении х (см. рис. 1.2, д, е) позволяет регулировать характеристики материала за счет их объемного соотношения.

Крепление образца в захватах. Создание на основе высокопрочных армирующих волокон полимерных композиционных материалов порождает значительные трудности получения стабильных значений предела прочности при растяжении этих материалов [39]. Особенно они проявляются при испытании трехмерноармированных материалов, изготовленных на основе углеродных волокон. Опытные данные и характер разрушения образцов свидетельствуют о том, что сложность получения стабильных и воспроизводимых характеристик прочности при растяжении композиционных материалов обусловливается главным образом необходимостью надежного крепления образца в захватах испытательной машины (для исключения проскальзывания), а также влиянием формы и размеров образца. Учет этих факторов особенно необходим при испытании высокопрочных композиционных материалов. Проскальзывание образца в захватах приводит к появлению на его поверхности царапин, сколов и вмятин. Повторное нагружение образца после проскальзывания часто усугубляет эти дефекты и способствует разрушению образца в местах повреждения [23, 74]. Во избежание указанного явления используют различные дополнительные приспособления или устройства, которые усложняют

Зависимости, приведенные в табл. 3.2, получены для композиционных материалов, изготовленных на основе вы-

углах искривления волокон основы практически не влияют на характер кривых деформирования при изгибе. Это следует из сравнения кривых, приведенных на рис. 4.11 для трех типов композиционных материалов, изготовленных на основе обычных (С-Ш-15-48), высокомодульных (С-П-17в-57) и полых (С-П-12п-49) волокон. Структурные схемы армирования стеклопластиков двух последних типов, такие же, как у материалов С-П-21-50 и С-П-32-50, кривые деформирования которых приведены на рис. 4.10. Как следует из анализа кривых сг (ш), свойства арматуры существенным образом отражаются на величине угла наклона кривых на начальном участке; характер кривых при этом не изменяется.

Характеристики слоя с прямолинейным расположением волокон, входящие в зависимости табл. 4.1, определяли на однонаправленных и ортогонально-армированных стеклопластиках с укладкой волокон 1 : 3 и 1 : 5. Установлено хорошее совпадение расчетных, вычисленных по приведенным формулам, и экспериментально измеренных значений упругих констант. При этом оказалось, что модуль меж-слойного сдвига для слоистых стеклопластиков больше по величине, чем модуль сдвига в плоскости укладки арматуры Gxy. Для материала с укладкой волокон 1 : 3 Gxz — 4250 МПа, GKy = 3100 МПа, а для материалов с укладкой 1 : 5 Gxz — 4150 МПа, Gxy == 3000 МПа, поскольку материалы, изготовленные методом прессования прд высоком давлении, имеют значительно меньшую толщину прослойки связующего между слоями по сравнению с ее толщиной между волокнами в слоях. Композиционные материалы, образованные системой двух нитей, также не имеют прослоек между слоями. Поэтому предполагалось, что модули сдвига слоя во всех трех плоскостях одинаковы и описываются формулой для G—, приведенной в табл. 3.2. Такое предположение основывается на том, что по этой формуле достаточно точно рассчитывается модуль межслойного сдвига материалов, изготовленных методом прессования.

держанием и ориентацией армирующих волокон, а также характеристиками полимерного связующего. Теоретическое описание прочности этих материалов с учетом указанных факторов представляет большие трудности [6, 7]. Задача прогнозирования прочности в настоящее время полностью не решена даже для однонаправленных и ортогонально-армированных слоистых композиционных материалов, изготовленных на основе прямолинейных волокон. Основные трудности определяются такими факторами, как сложность структурных схем армирования, нелинейность диаграмм а (е) при напряжениях выше 0,5 от разрушающих, образование макротрещин в материале (нарушение сплошности в связующем) при нагружении в направлении искривленных волокон.

В приближенных моделях трехмер-ноармированного материала влияние фактора плотности упаковки волокон на расчетные значения упругих характеристик связывается с заданием объемных коэффициентов армирования. При этом плотность укладки волокон в сечении материала принимается одинаковой во всех направлениях. Такое допущение не всегда может быть оправдано. В частности, для волокнистых материалов, изготовленных прессованием в плоскости 12, расстояния между сечениями волокон вдоль оси 3 могут быть минимальны — полимерные прослойки между слоями, параллельными плоскости 12,'практически отсутствуют. При этом коэффициенты армирования Цц, Ц2 зависят от относи-

Все исследованные трехмерно-армированные материалы имеют линейные диаграммы деформирования до разрушения при испытаниях на растяжение в направлениях укладки волокон. Это хорошо иллюстрирует рис. 5.14, на котором приведены типичные зависимости 0 (б) при растяжении материалов, изготовленных на основе алюмоборосиликатных, кварцевых и кремнеземных волокон. При испытании на трехточечный изгиб образцов из рассматриваемых композиционных материалов изменение прогиба в зависимости от нагрузки для большинства из них имеет линейную зависимость до разрушения (рис. 5.15). Наличие некоторой нелинейности в зависимости для материалов на основе кремнеземных и кварцевых волокон обусловлено

Упругие характеристики композиционных материалов, изготовленных на основе алюмоборосиликатных волокон с шахматной и строчной схемами укладки в направлении 3, приведены в табл. 5.6. Материалы имели близкие значения общего коэффициен-

Приведенные выше соотношения справедливы при температурах примерно до 200°С, когда показатели прочности, упругости, линейного расширения и теплопроводности обычных конструкционных материалов изменяются сравнительно мало. При переходе в область более высоких температур на первый план выступают жаропрочность, т. е. способность длительно выдерживать напряжения ' в условиях высоких температур, и ж а-р о -с т о и к о с т ь, т. е. способность сопротивляться горячей коррозии. К жаропрочным материалам относятся стали, легированные Ni, W, Mo, Ti, Nb, сплавы на никелевой основе, титановые сплавы и др. В области высоких температур качественные соотношения между материалами становятся иными. С повышением температуры большинство рассмотрен-

С к о р о с т и и п е р е д а т о ч н ы е о т-ношения. Скорости плоских ремней из традиционных материалов изменяются и диапазоне 5...30 м/с. Однако выполнение ремней из новых материалов и более совершенных конструкций позволяет при-

материалов являются следующие дисциплины: строительная механика, математическая и прикладная теория упругости, теория пластичности, теория ползучести, теория колебаний, механика материалов, механика разрушения. Расчеты машин конкретных типов рассматриваются в специальных курсах по отраслям машиностроения: прочность летательных аппаратов, строительная механика корабля, прочность машин и аппаратов химического машиностроения и т. д. Задачей сопротивления материалов в известной мере является создание методологической базы для решения в дальнейшем более детальных задач. Как уже отмечено, сопротивление материалов рассматривает типовые элементы конструкций. В зависимости от формы различают стержневые элементы, пластины и оболочки. К стержневым относят элементы, у которых поперечные размеры малы по сравнению с длиной. У пластин толщина существенно меньше размеров элемента в плане. Оболочкой является замкнутый элемент, толщина которого мала по сравнению с другими размерами. Здесь же отметим, что существенной особенностью постановки задач в сопротивлении материалов является широкая экспериментальная проверка предлагаемых решений. Методы сопротивления материалов изменяются вместе с возникновением новых задач и требований практики. При ведении инженерных расчетов методы сопротивления материалов следует применять творчески. Успех практического расчета лежит в умении найти наиболее удачные упрощения и в доведении расчета до количественных оценок.

В целом результаты проведенных испытаний показывают, что при экспозиции в морской воде физические свойства каучуковых материалов изменяются мало и что эти материалы обладают хорошей стойкостью к воздействию морских точильщиков и микроорганизмов, хотя имеются и отдельные исключения. В работах [3—9] при экспозиции до 3 лет не наблюдалось каких-либо повреждений натурального, неопренового и бутилкаучука, вызванных морскими организмами. В двух из семи партий образцов отмечено слабое повреждение бутадиенстирольного каучука, а на образцах силиконового каучука во всех случаях наблюдались серьезные поверхностные разрушения, вызванные, по-видимому, обкусыванием материала морскими животными. В работах [1, 2] наряду с разрушением силиконового каучука точильщиками отмечено сильное поверхностное растрескивание этого материала при экспозиции в морской воде. Там же сообщается о растрескивании натурального каучука после

скими, а именно динамическими нагрузками вследствие вибрации и ударов. Вредная вибрация нарушает планируемые конструктором законы движения машин и механизмов, вызывает отказы систем управления. Из-за вибрации снижается несущая способность деталей, развиваются микротрещины и возникают усталостные разрушения материалов, изменяются условия трения и износа контактных поверхностей деталей машин. Вибрация и шум оказывают непосредственное воздействие на человека.

Приведенные выше соотношения справедливы при температурах примерно до 200°С, когда показатели прочности, упругости, линейного расширения и теплопроводности* обычных конструкционных материалов изменяются сравнительно мало. При переходе в область более высоких температур на первый план выступают жаропрочность, т. е. способность длительно выдерживать напряжения в условиях высоких температур, и жаростойко с т ь, т, е, способность сопротивляться горячей коррозии, К жаропрочным материалам относятся .стали, легированные Ni, W, Mo, Ti, Nb, сплавы на никелевой основе, титановые сплавы и др. В области высоких температур качественные соотношения между материалами становятся иными. С повышением температуры большинство рассмотрен-

роударных процессов [10]. Известно, что наибольшее число отказов машин вызывается не статическими, а переменными напряжениями и динамическими нагрузками вследствие вибрации и ударов. Из-за вибрации снижается несущая способность деталей, развиваются микро- и макротрещины, приводящие к усталостному разрушению материалов, изменяются условия трения и износа контактных поверхностей деталей машин. Вибрация и шум оказывают непосредственное влияние на человека, поэтому защита человека от вибраций определяет надежность системы человек-машина—среда.

Описанные выше основные особенности молекулярной структуры полимерных материалов изменяются под действием нагрузки. В самом общем случае эти изменения определяются кривой 1 (см. фиг. II. 7). Между точками О и А (предел пропорциональности) находится область упругой деформации, пропорциональная напряжению. Отрезок АВ соответствует упругой деформации, не подчиняющейся закону пропорциональности. В точке В (предел эластичности) начинается необратимое удлинение материала, которое до точки С происходит при постоянном напряжении; после этого при относительно небольшом увеличении напряжения происходит резкое удлинение образца и его разрыв в точке D. Для сравнения, на той же диаграмме изображены кривая деформации стали и кривая деформации высокоэластичного каучука.

Для большинства конструкционных материалов теплофизические параметры меняются с изменением температуры. Характер изменения параметров К, с, р различен и определяется материалом. Если параметры с,? и особенно их произведение ср для многих конструкционных материалов изменяются в узких пределах, то коэффициент теплопроводности А, при этом может изменяться очень существенно (в несколько раз). Учет изменения коэффициента теплопроводности при решении задачи передачи тепла повышает не только точность решения, но и позволяет более качественно вскрыть картину изменения температурного поля.

Микромеханизмы возникновения мгновенных пластических деформаций и развивающихся во времени деформаций ползучести тесно связаны между собой, поэтому необходимо учитывать взаимодействие процессов ползучести и пластического деформирования, которое усиливается с ростом температуры. Кроме того, механические свойства конструкционных материалов изменяются с температурой не только как мгновенная реакция на ее текущее значение, но и с некоторым запаздыванием вследствие постепенной перестройки микроструктуры материала со скоростью, которая также пропорциональна множителю вида (4.1.1). Все это затрудняет при повышенных температурах раздельное определение характеристик пластичности и ползучести материала в экспериментах и заставляет учитывать взаимное влияние процессов ползучести и пластического деформирования на напряженно-деформированное состояние и работоспособность теплонапряженных конструкций [28].

Для сопоставления был выбран ряд самых различных материалов, имеющих близкую к торфяным частицам плотность. Точки, представляющие выбранные материалы, нанесены на рис. 3.33 в осях плотность — модуль упругости (Юнга). Хотя плотности и модули этих материалов изменяются в достаточно широких пределах (соответственно в 4 и 7 раза), зависимость модуля от плотности является функциональной, поскольку коэффициент корреляции равен 0,94. Методом наименьших квадратов было получено линейное регрессионное уравнение, которое представлено на рисунке прямой. На этом же рисунке крестиком показана точка, отвечающая характеристикам торфяных частиц. Видно, что она находится достаточно близко к полученной зависимости и, следовательно, вписывается в рассматриваемый ряд родственных материалов.

С повышением температуры механические свойства материалов изменяются; при этом существенное значение имеет продолжительность работы, так как с течением времени могут меняться механические свойства материала,^ размеры детали и распределение в ней напряжений.