Что такое механические свойства?
Механические свойства алюминия, как и других материалов – это свойства, которые связаны с упругой и неупругой реакцией материала на приложение к нему нагрузки, в том числе, зависимость между напряжениями и деформациями. Примерами механических свойств являются:
- модуль упругости (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
- предел прочности (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
- предел текучести
- предел усталости
- удлинение (относительное) при разрыве
- твердость.
Механические свойства часто ошибочно относят к физическими свойствам.
Механические свойства материалов, в том числе, алюминия и его сплавов, которые получают путем испытания материала на растяжение, например, модуль упругости при растяжении, прочность при растяжении, предел текучести при растяжении и относительное удлинение называют механическими свойствами при растяжении.
Вопрос 7. Алюминиевые сплавы, и их состав, свойства и особенности работы
Для строительных конструкций применяются алюминиевые сплавы с содержанием легирующих компонентов и примесей 5-7 % (технический алюминий с примесями до 1 % ввиду малой прочности применяется очень редко и только для декоративных и ограждающих элементов). Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые
(обрабатываемые
давлением
: прессованием, вытяжкой, прокаткой, штамповкой и т.д.), применяемые в строительных конструкциях, и на
литейные
, применяемые в основном в машиностроении.
Алюминиевые сплавы легируют
марганцем, магнием, кремнием, цинком, медью, хромом, титаном или одновременно несколькими этими компонентами, в зависимости от чего система сплава получает наименование и марку с условным обозначением.
Алюминиевые сплавы поставляют в различных состояниях термической
обработки и нагартовки (наклеп, вытяжка).
Технический алюминий
обладает очень высокой коррозионной стойкостью, но малопрочен и пластичен.
Алюминиево-марганцевые и алюминиево-магниевые
сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, сравнительно высокой прочностью и хорошо свариваются.
Многокомпонентные сплавы
обладают средней и высокой коррозионной стойкостью, средними и высокими показателями прочности и могут применяться в сварных и клепаных несущих и ограждающих конструкциях.
Чтобы повысить коррозионную стойкость, алюминиевые сплавы могут быть плакированными
(покрытыми тонкой пленкой чистого алюминия при изготовлении полуфабриката).
Структура алюминиевых сплавов состоит из кристаллов алюминия, упрочненных легирующими элементами (легирующие элементы входят в твердый раствор с алюминием и упрочняют его).
На рис. 1 приведены диаграммы работы некоторых алюминиевых сплавов на растяжение (там же для сравнения дана кривая для стали 3).
Рисунок 1
1-технический алюминий АД1М; 2- сплав 1915Т; 3- сталь 3
Механические свойства
алюминиевых сплавов зависят не только от химического состава, но и от условий их обработки. У алюминиевых сплавов модуль упругости при растяжении Е=0,7∙104 кН/см2, а модуль упругости при сдвиге G=0,27∙104 кН/см2 что почти в 3 раза меньше, чем у стали; поэтому при равных напряжениях прогибы алюминиевых конструкций в 3 раза больше. Коэффициент Пуассона =0,3. На диаграмме растяжения алюминиевых сплавов нет площадки текучести. За предел текучести условно принимается напряжение при котором относительная остаточная деформация достигает =0,2 %. При температурах свыше 100 °С наблюдается некоторое снижение прочностных характеристик, а начиная примерно с 200 °С появляется ползучесть. Коэффициент температурного расширения алюминия =0.000023, что в 2 раза больше чем у стали. При пониженных температурах все механические показатели алюминиевых сплавов улучшаются. Ударная вязкость сплавов при нормальной температуре ниже чем у стали (около 3,0 кг∙м/см2), и почти не снижается при отрицательных температурах.
Изменение механических свойств алюминиевых сплавов при старении происходит более интенсивно, чем у стали, и увеличение пределов текучести и прочности значительно выше. Увеличение прочности алюминиевых сплавов при старении учитывают при назначении их расчетных сопротивлений. Расчетные формулы для алюминиевых конструкций при различных силовых воздействиях имеют такой же вид, как и для стальных конструкций. Значения различных коэффициентов принимают в зависимости от марок сплавов по нормам проектирования алюминиевых конструкций СНиП II-24-74.
К достоинствам алюминиевых сплавов
можно отнести: относительно высокую прочность при малой плотности самого материала; высокую технологичность при обработке прессованием, прокаткой или ковкой, позволяющую изготовлять изделия сложной формы; высокую стойкость против коррозии, высокие механические характеристики при отрицательных температурах; отсутствие искрообразования при ударных воздействиях.
Недостатки алюминиевых сплавов:
относительно небольшой модуль упругости; высокий коэффициент температурного расширения; относительная сложность выполнения соединений; дефицитность и пока ещё высокая стоимость; малая огнестойкость.
Профили из алюминиевых сплавов для алюминиевых конструкций получают прокаткой, прессованием или гнутьем
. Прокатывают только плоские профили: листы полосы, ленты. Прессованные профили могут быть самого различного очертания, поперечное сечение их должно вписываться в круг диаметром матрицы размером 320 мм (имеются отдельные прессы с диаметром матрицы 530мм). Эти профили изготавливают на специальных прессах. Цилиндрическая, нагретая примерно до 400°С заготовка из алюминиевого сплава продавливается через стальную матрицу с отверстием по форме сечения профиля. Матрица удерживается держателем. Прессоваться могут как сплошные так и пустотелые (трубчатые) профили.
Гнутые профили изготавливают путём гибки тонких листов или лент на роликогибочных станах или гибочных прессах.
ВОПРОС 8.
Основы расчета металлических конструкций. Расчетная схема, опорные закрепления элементов. Предельные состояния. Группы предельных состояний. Расчет конструкций по допускаемым напряжениям и сопоставление его с расчетом по предельным состояниям
Основы расчета металлических конструкций
Цель и назначение расчета конструкций –
проверка прочности, устойчивости и жесткости предварительно намеченной конструктивной схемы сооружения, позволяющая уточнить размеры и обеспечить надежность сооружения при наименьших затратах металла. Расчёт сооружений и их конструктивных элементов производится на основе методов сопротивления материалов и строительной механики. Основной целью этих методов является определение внутренних усилий, которые возникают в конструкциях под действием приложенных нагрузок.
Расчет начинают с составления расчетной схемы сооружения, временно отвлекаясь от действительной формы сечения элементов. Опорные закрепления элементов наделяют, при этом некоторыми теоретическими свойствами (шарнирные опоры, опоры с упругими и жесткими защемлениями и т. п.). Определив по принятой расчетной схеме усилия в элементах, производят подбор сечений, проверяют несущую способность и конструируют закрепления так, чтобы удовлетворить поставленным задачам. Иногда бывают необходимы более точные методы определения напряжений с учетом развития пластических деформаций. Однако математическая сложность этих методов вынуждает часто применять в формулах ряд коэффициентов, значения которых приводятся в таблицах. Согласно СНиП II-23-81*, строительные конструкции рассчитывают на силовые другие воздействия по предельным состояниям.
За предельное состояние
принимается такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять предъявленным к ней эксплуатационным требованиям, т.е. либо теряет способность сопротивляться внешним воздействиям, либо получает недопустимую деформацию или местное повреждение.
studfiles.net
Модуль упругости
Модуль упругости, который часто называют модулем Юнга – это отношение напряжения, которое приложено к материалу, к соответствующей деформации в том интервале, когда они являются прямо пропорциональными друг к другу.
Различают три типа напряжений и соответственно три типа модулей упругости для любого материала, в том числе для алюминия:
- модуль упругости при растяжении
- модуль упругости при сжатии
- модуль упругости при сдвиге (сдвиговый модуль упругости).
Таблица – Модули упругости при растяжении алюминия и других металлов [1]
Предел текучести
Напряжение, которое необходимо для достижения заданной малой пластической деформации в алюминии или другом материале при одноосной растягивающей или сжимающей нагрузке.
Если пластическая деформация под воздействием растягивающей нагрузки задается как 0,2 %, то применяется термин «предел текучести 0,2 %» (Rp0,2).
Рисунок 4 – Типичная диаграмма напряжение-деформация для алюминиевых сплавов
Плотность
Теоретическая плотность алюминия при комнатной температуре (20 ºС), которая основана на размерах кристаллической решетки составляет 2698,72 кг/м3 [1]. Экспериментальные данные находятся в интервале от 2996,6 до 2698,8 кг/м3.
Зависимость плотности алюминия от степени его чистоты и твердом и жидком состояниях показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Плотность алюминия в зависимости от степени его чистоты в твердом состоянии (20 градусов Цельсия) и жидком состоянии (1000 градусов Цельсия)
Плотность жидкого алюминия чистотой 99,996 % представлена в таблице 3.
Таблица 3 – Плотность жидкого алюминия чистотой 99,996 %
Удлинение (при разрыве)
Часто называется «относительным удлинением». Увеличение расстояния между двумя метками на испытательном образце, которое возникает в результате деформирования образца при растяжении до разрыва между этими метками.
Величина удлинения зависит от размеров поперечного сечения образца. Например, величина удлинения, которая получена при испытании алюминиевого листового образца будет ниже для тонкого листа, чем для толстого листа. Тоже самое относится и к прессованным алюминиевым профилям.
Рисунок 5 – Влияние легирующих элементов на прочностные свойства и относительное удлинение [4]
Удлинение А
Удлинение в процентах после разрыва образца при исходном расстоянии между метками 5,65 · √ S0, где S0 – исходная площадь поперечного сечения испытательного образца. Устаревшее обозначение этой величины А5 в настоящее время не применяется. Аналогичная величина в русскоязычных документах обозначается δ5.
Легко проверить, что для круглых образцов это расстояние между исходными метками вычисляется как 5·d.
Удлинение А50мм
Удлинение в процентах после разрыва образца по отношению к исходной длине между метками 50 мм и постоянной исходной ширине испытательного образца (обычно 12,5 мм). В США применяется расстояние между метками в 2 дюйма, то есть 50,8 мм.
Удельное электрическое сопротивление
Принятая величина удельного электрического сопротивления сверхчистого алюминия (99,990 %) при 20 ºС составляет 2,2548×10-8 Ом·м или 64,94 % от Международного стандарта отожженной меди (IACS). Электрическое сопротивление алюминия чистоты 99,9 % при различных температурах показано в таблице 5.
Таблица 5 – Удельное электрическое сопротивление чистого алюминия (99,90 %)
Электрическая проводимость чистого алюминия является изотропной, если только в нем не присутствуют ориентированные дислокации.
Влияние размера зерна на удельное электрическое сопротивление в промышленном алюминии является незначительным. Однако, нагартованный алюминий имеет в направлении полученной холодной пластической деформации несколько более высокую – на 0,5-1,0 % – электрическую проводимость.
Сдвиговая прочность
Максимальное удельное напряжение, то есть максимальная нагрузка, разделенная на исходную площадь поперечного сечения, которую выдерживает материал при испытании на сдвиг. Сдвиговая прочность обычно составляет около 60 % от прочности при растяжении.
Сдвиговая прочность является важной характеристикой качества заклепок, в том числе, алюминиевых.
Рисунок 6 – Прочность на сжатие, прочность на сдвиг, несущая прочность и твердость различных алюминиевых сплавов [4]
Твердость
Сопротивление металла пластическому деформации, обычно измеряемое путем отпечатка.
Твердость Бринелля (HB)
Сопротивление проникновению сферического индентора при стандартизированных условиях.
Для алюминия и алюминиевых сплавов твердость НВ приблизительно равна 0,3·Rm, где Rm – предел прочности при растяжении, выраженный в МПа [2].
Если применяется индентор из карбида вольфрама, то применяется обозначение HBW.
Твердость Викерса (HV)
Сопротивление проникновению алмазного индентора в виде квадратной пирамиды при стандартизированных условиях. Твердость HV приблизительно равна 1,10·HB [2].
Минералы, месторождения…а самородный алюминий?
Запасы алюминия в природе огромны. Среди металлов он держит первое место по распространенности. Но «общительность», активность элемента привела к тому, что в чистом виде металл практически отсутствует.
Производство алюминия в миллионах тонн
Минералов, содержащих алюминий, много:
- бокситы;
- глиноземы;
- полевые шпаты;
- нефелины;
- корунды.
Так что добыча алюминиевого сырья не составляет большого труда.
Если все запасы на Земле истощатся (что сомнительно), то алюминий можно добывать из морской воды. Там его содержание составляет 0,01 мг/л.
Кто захочет увидеть самородный алюминий, тому придется опускаться в жерла вулканов.
Происхождением такой металл из самых глубин нашей планеты.
Усталость
Тенденция металла разрушаться при длительных циклическом напряжении, которое значительно ниже предела прочности при растяжении.
Рисунок 7 – Различие в усталостном поведении низкоуглеродистой стали иалюминиевых сплавов [3]
Усталостная прочность
Максимальная амплитуда напряжения, которую может выдерживать изделие при заданном количестве циклов нагружения. Обычно выражается как амплитуда напряжения, которая дает 50%-ную вероятность разрушения после заданного количества циклов нагружения [2].
Усталостная выносливость
Предельное напряжение, ниже которого материал будет выдерживать заданного количество циклов напряжения [2].
