Міцність матеріалів

Визначення і загальна характеристика

МІ́ЦНІСТЬ МАТЕРІА́ЛІВ — властивість матеріалів зберігати цілісність під дією зовнішніх чин­ників (зокрема механічних і температурних), що викликають зміну його форми й обʼєму. Водночас М. м. — окрема наук. дисципліна (роз­діл опору матеріалів як галузі приклад. механіки), що ви­вчає методи роз­рахунку на міцність елементів кон­струкцій, машин, споруд тощо. Ви­окремлюють теор. й тех. М. м. В основі першої — математика й теор. механіка; в основі другої — фізика й матеріало­знавство. М. м. оцінюють за мірою (критерієм) міцності, що встановлюють залежно від властивостей матеріалу чинити опір зміні його форми чи обʼєму. Якщо після ви­пробувань зовн. чин­никами форма матеріалу повністю від­новлюється, то такий матеріал називають пружним, а мірою його міцності слугує певна критична величина макс. напружень, пере­вище­н­ня якої спричиняє руйнува­н­ня цілісності матеріалу. Якщо ви­пробува­н­ня зовн. чин­никами призводить до непов. від­новле­н­ня форми матеріалу, то такий матеріал — пружно-пластичний, а мірою його міцності є певна критична величина макс. деформацій, пере­вище­н­ня якої так само руйнує цілісність матеріалу. Починаючи з праць Ґ. Ґалілея, пита­н­нями М. м. за­ймалися ві­домі європ. фізики й математики минулих епох — французи Ш. Кулон, А. Сен-Венан, А. Треска і Е. Маріотт, німець О. Мор, швейцарець Л. Ейлер, поляк М. Губер, австрієць укр. походже­н­ня Р. фон Мізес та ін. Серед укр. науковців найбільший внесок у дослідже­н­ня М. м. належить С. Тимошенку, О. Дин­нику, Г. Писаренку, А. Лебедєву. Нині виділяють кілька найпоширеніших класич. теорій М. м., кожна з яких має власну міру М. м. і якнайкраще під­ходить лише для окремого класу матеріалів. Напр., теорія міцності Ґ. Ґалілея є спів­від­носною для крихких матеріалів; у ній мірою М. м. слугує критична величина макс. напружень матеріалу під час роз­тягува­н­ня. Для пружно-пластич. матеріалів за­стосовують за­звичай теорію Е. Маріот­та, у якій мірою М. м. є критична величина макс. деформацій матеріалу. Для цього ж класу матеріалів коректною є і теорія, що започаткували А. Сен-Венан і А. Треска, у якій мірою М. м. слугує критична величина макс. дотич. напружень (найчастіше за­стосовують в інж. практиці при навантажен­ні елементів кон­струкцій зсувом або під час скручува­н­ня стержнів). Для неоднорід. матеріалів, у яких властивості міцності за обʼємом змін­ні, вдалою є теорія, започаткована в працях М. Губера і Р. фон Мізеса; мірою міцності М. м. в ній слугує питома потенціал. енергія формо­зміни. Окрім класичних, існує багато сучас. теорій М. м., що під­ходять для роз­рахунку кон­струкцій на міцність за тих чи ін. умов. Їхньою особливістю є врахува­н­ня втрати цілісності матеріалів та елементів як у процесі зародже­н­ня й до критич. зро­ста­н­ня дефектів, зокрема тріщин. На основі аналізу багатьох обстежень руйнувань елементів кон­струкцій встановлено, що їхньою причиною був вихід. дефект типу тріщини, що утворився під час виготовле­н­ня матеріалу (або елемента кон­струкції) чи був набутий у процесі екс­плуатації. Тому нині, оцінюючи М. м. чи міцність елементів кон­струкцій, вважають, що в них є наявний дефект (тріщина) певного роз­міру, і роз­рахунок проводять з урахува­н­ням такого дефекту. Мірою М. м. у цьому випадку є характеристики їхньої тріщино­стійкості, що ви­значаються екс­периментально з урахува­н­ням видів навантаже­н­ня, властивостей матеріалу та впливу екс­плуатац. середовищ згідно з існуючими норматив. документами. За характером роз­поділу навантаже­н­ня М. м. поділяють на статичну (короткочасну та довгочасну), динамічну (в умовах удар. навантажень) та втомну (за цикліч. навантажень). Статична довгочасна М. м. — властивість матеріалів зберігати цілісність за довгочас. дії статич. навантаже­н­ня та високої температури. За умови під­вище­н­ня температури характеристики мех. властивостей матеріалів змінюються, тому за високих т-р ви­значають характеристики, типові як для короткочас., так і довготривалих (напр., повзучість матеріалів) ви­пробувань. Мірою довгочас. М. м. слугують час і напруже­н­ня, за яких матеріал втрачає цілісність. Динамічна міцність — це властивість матеріалів і кон­струкцій зберігати цілісність під час високошвидкіс. навантаже­н­ня. Мірою динаміч. міцності є напруже­н­ня при за­даній швидкості навантаже­н­ня дослід. зразка. Властивість матеріалу зберігати цілісність за умови багатораз. цикліч. навантаже­н­ня називається втом. міцністю. За характером роз­поділу навантаже­н­ня можуть бути й ін. види М. м. Напр., під час вибору матеріалів для кон­структив. елементів літал. апаратів використовують таке поня­т­тя, як питома міцність. У цьому випадку мірою М. м. слугує величина, що дорівнює від­ношен­ню максимально допустимих мех. напружень, які матеріал здатний витримати без руйнува­н­ня, до густини матеріалу (часто за­стосовують у галузях авіа- та ракетобудува­н­ня, будува­н­ня косміч. апаратів). Ви­окремлюють також поня­т­тя кон­струкц. міцності — М. м. кон­струкції, що перед­бачає врахува­н­ня властивостей матеріалу зберігати цілісність під дією додатк. чин­ників, зокрема технол. й екс­плуатаційних; а також поня­т­тя зміцне­н­ня матеріалів — під­вище­н­ня опору матеріалів або заготовок до руйнува­н­ня чи деформації внаслідок технол. процесу. Для роз­рахунку М. м. та кон­струкцій. міцності нині за­стосовують наук. технології — системи компʼютер. інж. аналізу, що ґрунтуються на методах роз­вʼя зання задач матем. фізики. В Україні н.-д. центрами в галузі М. м. є окремі установи НАНУ, зокрема Фіз.-мех. ін­ститут (Львів) та Ін­ститут про­блем мiцностi (Київ). Практичне за­стосува­н­ня їхніх напрацювань утілюється в проведен­ні контролю від­повід­ал. обладна­н­ня енергет., буд., маш.-буд., авіац., ракетно-косміч., нафто- та газотранс­порт. галузей з метою своєчас. запобіга­н­ня виходу їх з ладу; здійснен­ні тех. діагностики елементів кон­струкцій пром. обʼєктів. Провід­ні укр. фахові ви­да­н­ня з про­блем М. м.: «Фізико-хімічна механіка матеріалів», «Про­блемы проч­ности», «Надійність і довговічність машин і споруд». Основні поня­т­тя й ви­значе­н­ня та методол. основи в галузі М. м. регламентує від­повід. держ. стандарт (ДСТУ 2825-94).

Літ.: Панасюк В. В., Андрейкив А. Е., Партон В. З. Основы механики разрушения. К., 1988; Писаренко Г. С., Квітка О. Л., Уманський Е. С. Опір матеріалів: Під­руч. К., 1993; Божидарник В. В., Сулим Г. Т. Елементи теорії пластичності та міцності. Л., 1999; Швабʼюк В. І. Опір матеріалів: Навч. посіб. К., 2009.

О. Є. Андрейків

Завантажити статтю