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 об’єму. 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 об’єму. 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 об’ємом 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 комп’ютер. інж. аналізу, що ґрунтуються на методах розв’я 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. об’єктів. 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).

Завантажити статтю