Содержание
Обновление основ машиностроения: прочность, жесткость и твердость
Время чтения: 8 мин. . Эти свойства связаны между собой, но между ними есть очень важные различия:
- Жесткость — это показатель тенденции элемента возвращаться в свою первоначальную форму после воздействия силы.
- Прочность измеряет, какое напряжение может быть приложено к элементу до того, как он необратимо деформируется или сломается.
- Твердость измеряет сопротивление материала деформации поверхности. Для некоторых металлов, таких как сталь, твердость и предел прочности при растяжении примерно пропорциональны (см. ASTM A 370-68 Steel Tables).
В этой статье мы делаем обновление основ, рассматривая некоторые распространенные ловушки при определении между механической прочностью, жесткостью и твердостью, технические различия между тремя и их значение при выборе материалов для продукта. разработка.
Прочность, жесткость и твердость
Очень легко спутать разницу между прочностью и жесткостью. Если материал жесткий, то он должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать большую нагрузку, верно? Следовательно, разве сила и жесткость не одно и то же? Ответ – решительное нет! Материал может быть прочным и эластичным или прочным и жестким (см. раздел «Осевая нагрузка на прямой элемент»), но прочность и жесткость — это два разных качества. Существует много типов прочности материалов, включая предел прочности и предел текучести.
Вот несколько важных определений, о которых следует помнить:
- Предел текучести используется в материалах, демонстрирующих упругие свойства. Это максимальное растягивающее напряжение, которое может выдержать материал, прежде чем произойдет остаточная деформация.
- Предел прочности относится к максимальному напряжению перед разрушением.
- Прочность на излом — это значение, соответствующее напряжению, при котором происходит полное разрушение.
- Жесткость показывает, как компонент сопротивляется упругой деформации при приложении нагрузки.
- Твердость — сопротивление локальной деформации поверхности.
Прочность на растяжение можно рассчитать по твердости, и это удобно, поскольку тесты на твердость, такие как Роквелл, обычно просты в проведении, недороги и неразрушающие. На образце выполняется только небольшое проникновение. Для многих металлов предел прочности при растяжении увеличивается с увеличением твердости1.
Модуль Юнга, прочность и жесткость
Кривая напряжения-деформации по модулю Юнга является отличным инструментом для изучения материалов, позволяющим понять взаимосвязь между жесткостью и прочностью. Модуль Юнга или модуль упругости материала определяет способность материала сопротивляться упругой деформации в условиях нагрузки.
Модуль Янга =
𝐸 =
𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑙𝑒 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠
𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑙𝑒 𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛
E = растягивающий стресс -стресс
Помните, что жесткость является способностью материала вернуться к первоначальной форме после подлежащего усилию и зато прочность — это то, какое напряжение может быть приложено к материалу, прежде чем он перейдет в пластическую деформацию или разрушение.
Поскольку жесткость и прочность связаны с модулем упругости материала (модулем Юнга), легко найти значение в справочном справочнике по свойствам материала и определить прочность и/или жесткость данного материала. На приведенной ниже диаграмме видно, что жесткость материала можно количественно определить по наклону кривой напряжения-деформации. Модуль упругости измеряет жесткость материала, но прочность зависит от модуля. И прочность на растяжение, и твердость являются показателями сопротивления металла пластической деформации.
Кривая упругости модуля Юнга (рис. 1) выше является хорошим способом графической демонстрации этого. Отношение напряжения к деформации — это модуль упругости — жесткость, но то, как материал реагирует на напряжение, и только напряжение, определяет прочность материала. Помните, что прочность измеряет, какое напряжение материал может выдержать до того, как произойдет остаточная деформация или разрушение, тогда как жесткость измеряет сопротивление упругой деформации.
Более подробную информацию о том, как материал реагирует на нагрузку и о прочности материалов, можно найти, изучив теорию прочности.
Рисунок 2. Простые кривые напряжение-деформация, иллюстрирующие жесткое и нежесткое поведение. Кривые A и B соответствуют более жестким материалам, тогда как кривая C представляет нежесткий материал. (Источник изображения)
Понимание концепций напряжения и деформации
Напряжение — это внутренняя сила, возникающая в результате приложенной нагрузки; он действует на поперечное сечение механического или структурного компонента. Деформация – это изменение формы или размера тела (деформация), возникающее при приложении силы. Существует два типа деформации, которые соответствуют двум типам напряжения:
- Нормальная деформация: деформации, происходящие перпендикулярно поперечному сечению; нормальная деформация вызвана нормальным напряжением
- Деформация сдвига: деформации, происходящие параллельно поперечному сечению; деформация сдвига вызвана напряжением сдвига
Рис.
3. Вверху слева: осевая нагрузка, вызывающая растяжение или сжатие. Вверху справа: касательное напряжение внутри стержня. Внизу слева: напряжение кручения вокруг круглого поперечного сечения. Внизу справа: напряжение изгиба, вызванное моментом.
Получение данных о механических свойствах
Данные о механических, тепловых или электрических свойствах можно получить для конкретных типов материалов в Американском обществе по испытанию материалов (ASTM) или на веб-сайте производителя, с которого вы планирует закупить материалы. Значения, которые вы можете получить, могут варьироваться от жесткости материала до механической прочности, от твердости до прочности на растяжение.
Надежным онлайн-источником является www.MatWeb.com, где можно быстро получить точные данные.
Примеры: зависимость прочности от жесткости
Прогиб балки
На изображении ниже представлен анализ методом конечных элементов (МКЭ) балки, подвергнутой нагрузке.
Реакцией балки на нагрузку является отклонение в результате внутреннего напряжения изгиба и сдвига. Если внутренние напряжения превышают предел текучести материала балки, вам следует выбрать материал с более высоким значением модуля Юнга, другими словами, материал с более высокой жесткостью, чтобы противостоять деформации, а также с более высоким пределом текучести, чтобы предотвратить деформацию. необратимая деформация и возможное разрушение.
Рис. 5. Анализ прогиба балки МКЭ.
Осевая нагрузка на прямой элемент
Представьте себе растянутый металлический стержень, на который действует осевая нагрузка некоторой величины. Внутренние напряжения вызывают деформацию на 1% первоначальной длины металла, когда он ломается под нагрузкой 100 фунтов силы. Далее рассмотрим некоторый резиноподобный полимер в форме стержня, который подвергается воздействию той же силы, но деформируется на 5% от своей первоначальной длины и ломается при нагрузке 100 фунтов силы.
Ключевой момент: оба материала одинаково прочны, но металл жестче, чем полимер, а это означает, что он меньше прогибается при одинаковых заданных условиях нагрузки.
Рисунок 6. Испытание на растяжение.
Тепловое напряжение
Термическое напряжение также влияет на деформационную реакцию компонента, который уже подвергается действию некоторой силы. В этом случае из-за градиента температуры внутри элемента термическое напряжение вызывает дополнительную деформацию к деформации, уже вызванной действующими на него силами. Термическое напряжение влияет на прочность материалов. Например, металлы имеют свойство расширяться при нагревании и сужаться при охлаждении. Это приводит к тому, что металл подвергается напряжению, и в сочетании с любым внешним напряжением от нагрузки может распространяться и вызывать более быстрое разрушение материала.
𝜎 = 𝐸𝛼Δ𝑇
𝜎 = e𝛼ΔT
𝜎 = тепловое напряжение
, где α = коэффициент термического расширения
ΔT = разница в начальной температуре и конечной температуре
E = Модуль молоды напряжение зависит от модуля Юнга или жесткости материала.
Вычисление термического напряжения дает представление о том, какие значения жесткости и прочности подходят для вашей конструкции, при условии, что разница температур не настолько велика, чтобы изменить микроскопические свойства материала!
Передовой опыт проектирования с учетом прочности, жесткости и твердости
Вот 3 передовых метода, которые следует учитывать в процессе проектирования:
Первый. Определение важных компонентов на ранних этапах проектирования на ранних этапах вашего проекта, например, при построении модели САПР, определяют, какие компоненты будут иметь решающее значение для вашего проекта. Определите, какие из них будут подвергаться ударным нагрузкам, равномерным нагрузкам, сосредоточенным нагрузкам, постоянным нагрузкам и т. д., чтобы получить представление о жесткости или прочности, необходимой для ваших компонентов. При необходимости разработайте графическое представление сложных динамических систем, используя граф связей или моделирование блок-схем, и используйте программное обеспечение для моделирования сложных систем.
2. Определите силы, приложенные к каждому компоненту, и рассчитайте напряжение
Рассчитайте ожидаемые напряжения на механических компонентах, чтобы выяснить, где могут возникнуть проблемы или где силы могут показаться большими. Измеряйте, как дизайн реагирует на различные входные данные, используя методы инструментирования, и выполняйте анализ данных, чтобы предсказать поведение вашей модели. Учитывайте переменные ползучести и усталости в подсистемах и связанные с окружающей средой, которой будет подвергаться ваша система. Чтобы освежить в памяти расчет напряжений, которым подвергаются разработанные компоненты, обратитесь к моей любимой книге по машиностроению здесь.
3. Рекомендации по выбору материалов
Как обсуждалось ранее, каждый тип материала имеет свой собственный набор механических, тепловых и электрических свойств. Различные материалы оптимальны для различных областей применения. Керамика обычно хрупкая, а это означает, что перед разрушением практически не происходит деформации; трещины могут распространяться очень быстро с очень незначительной пластической деформацией.
Металлы проявляют два режима реакции на приложенное напряжение: пластичный или хрупкий. Пластичному материалу перед разрушением сопутствует пластическая деформация, а хрупкому — нет.
Рис. 7. Пластичность и хрупкость
Процесс разрушения пластичных металлов обычно происходит в несколько стадий — пластичность или хрупкость полимеров зависят от температуры. Для сырья определите, какие производственные процессы обеспечат вам желаемые свойства материала. Испытания материалов должны соответствовать стандартам ASTM; обратитесь к инженерным справочникам, чтобы получить надежные данные о материалах.
Кроме того, материал следует выбирать с учетом условий окружающей среды, которым будут подвергаться компоненты. Химический состав материала определяет его способность противостоять условиям окружающей среды, таким как вода, растворы солей или даже химическое воздействие. Нержавеющая сталь, алюминий и титан являются хорошим выбором материалов, когда для применения необходима устойчивость к окружающей среде.
Твердость материала играет роль в определении того, может ли он противостоять абразивным средам, таким как условия пустыни. Как правило, ваш материал должен иметь более высокую твердость, чем абразивные материалы, с которыми он может контактировать, чтобы предотвратить потерю материала.
4. Проверка проектов перед созданием прототипа
Оптимизация и проверка проекта должны выполняться до создания прототипа проекта. Выполняйте проектные исследования с использованием программного обеспечения САПР для оценки и оптимизации геометрии вашего проекта. Используйте анализ FEA, численный анализ; и, когда это возможно, выполняйте расчеты вручную, чтобы убедиться, что результаты согласованы, прежде чем приступить к созданию прототипа, чтобы сэкономить время и деньги. Проконсультируйтесь с другими инженерами для обзора.
При оптимизации конструкции перед ее производством также следует учитывать возможность проектирования с точки зрения технологичности. Даже самые умные конструкции потерпят неудачу, если они не разработаны с учетом методов производства.
Чтобы помочь в этом, Fictiv предлагает мгновенную обратную связь DFM с нашей интеллектуальной платформой. Просто загрузите модель и получите мгновенные советы по оптимизации.
Основные выводы
Надлежащее использование и реализация жесткости, прочности и других механических свойств в процессе проектирования будет способствовать созданию более качественных продуктов, поскольку эти свойства характеризуют реакцию материала на приложенные нагрузки. Четкое понимание предполагаемого использования продукта является ключом к выбору соответствующих свойств материала, которые будут способствовать рентабельной конструкции при соблюдении стандартов безопасности, структурной целостности и достижении желаемых характеристик.
Краткие сведения
- Механическая прочность измеряет, какое напряжение может быть приложено к элементу до того, как он необратимо деформируется или сломается.
- Жесткость в машиностроении является показателем тенденции элемента возвращаться в свою первоначальную форму после воздействия силы.
- Твердость измеряет сопротивление материала деформации поверхности.
- Модуль Юнга является количественным показателем того, насколько материал способен сопротивляться упругой деформации в условиях нагрузки. Жесткий материал имеет высокий модуль Юнга и способен минимально сохранять свою форму при воздействии упругих нагрузок.
- Предел прочности при растяжении, или предел прочности при растяжении, представляет собой максимальную нагрузку при растяжении, которую материал может выдержать до разрушения.
Получить мгновенное предложение 10 AWG
Перейти к содержимому
Задний, нижний
.
Марка: :
Безымянный:
Особенность 1: :
Обжим изоляции
.
ЭАН: :
Не применяется:
Особенность 2: :
Мур J381257 улучшение
.
СКП: :
Не применяется
.
., Условие::
Новый: совершенно новый. неиспользованные, за исключением случаев, когда товар был упакован производителем в нерозничную упаковку.
например, коробка без надписей или полиэтиленовый пакет. Полную информацию смотрите в объявлении продавца.
Просмотреть все определения условий
:
Номер детали производителя: :
Не применяется
.
Особенность 3: :
Двойной шарнир:
Размещение на транспортном средстве: :
Оставил. Правильный, неповрежденный товар в оригинальной упаковке (где упаковка
применимый). Упаковка должна быть такой же, как в розничном магазине. нераспечатанный, Верхний, Передний. Задний, Нижний
.
Марка: :
Безымянный:
Особенность 1: :
Обжим изоляции
.
ЭАН: :
Не применяется:
Особенность 2: :
Мур J381257 улучшение
.
СКП: :
Не применяется
.
., Условие::
Новый: совершенно новый. неиспользованные, за исключением случаев, когда товар был упакован производителем в нерозничную упаковку. например, коробка без надписей или полиэтиленовый пакет. Полную информацию смотрите в объявлении продавца.
Просмотреть все определения условий
:
Номер детали производителя: :
Не применяется
.
Особенность 3: :
Двойной шарнир:
Размещение на транспортном средстве: :
Оставил.
Правильный, неповрежденный товар в оригинальной упаковке (где упаковка
применимый). Упаковка должна быть такой же, как в розничном магазине. нераспечатанный, Верхний, Передний.
⭐️⭐️⭐️⭐️☆
4 звезды — Смак Н. Данн, Написано 10 марта 2022 г. Более прочный и менее податливый. Многофункциональный аспект этого продукта является большим.
⭐️⭐️⭐️☆☆
3 звезды — Мэнъянг Ван Гордер, Написано 23 февраля 2022 г. Выключатель использовался для светодиодных светильников, которые я установил в своей спальне на потолке. Но я думаю, что это хорошо для автомойки!
⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
5 звезд — Мойер Зтирффриц, Написано 4 ноября 2021 г. Тонкий материал и более дешевое железо на буквах, а не трафаретная печать, поэтому не регламентируется. В остальном это интересная, очень гладкая рубашка, на случай, если традиционная хлопчатобумажная поплиновая ткань не нужна.
⭐️⭐️⭐️⭐️☆
4 звезды — автор nydra A. Rammel, Написано 19 октября 2021 г. Я увидел это, щелкая мышью, и подумал, что это уникально и круто, поэтому я заказал его в качестве подарка по обмену.