Один из основных способов уменьшения массы — рациональное нагружение деталей с максимальным использованием их материала.
На рис. 49 дан пример использования материала при различных видах нагружения детали круглого сечения. Величина напряжений условно показана толщиной линий штриховки.
При изгибе сечение работает преимущественно крайними точками, расположенными в плоскости действующей силы. По мере приближения к нейтральной оси напряжения уменьшаются вплоть до нуля. В случае кручения все точки периферии нагружены одинаково. Однако напряжения в кольцевых сечениях убывают по мере приближения к центру, где они становятся равными нулю.
Наиболее выгоден случай растяжения-сжатия, когда все точки сечения работают при одинаковом напряжении и материал используется наиболее полно.
Где только возможно, следует заменять изгиб растяжением-сжатием, как это делается, например, в стержневых и ферменных системах.
Там, где изгиб неизбежен по функциональному назначению детали, его отрицательное влияние следует компенсировать следующими конструктивными мерами:
применять рациональные сечения с разноской материала по направлению действия максимальных напряжений (сечения с более равномерным распределением напряжений);
уменьшать изгибающий момент сокращением плеча изгибающей силы, т. е. уменьшать пролеты между опорами, рационально расставлять опоры и устранять консольное нагружение. невыгодное по напряжениям и деформациям.
В системах, работающих на растяжение-сжатие, изгиб нередко возникает в результате асимметрии сечений, внецентренного приложения нагрузки или криволинейности формы детали.
Рассмотрим влияние внецентренного приложения нагрузки на напряжения в детали.
В брусе прямоугольного сечения шириной а и толщиной b, растягиваемом силой Р (рис. 50, а). сделана односторонняя выборка шириной аn (n= 0 ÷ 1).
Максимальное напряжение с растяжения в среднем сечении бруса равно сумме напряжений от действия силы Р и изгибающего момента 0,5Рan
приведено на рис. 51. Эксцентричное приложение силы Р увеличивает напряжения растяжения тем больше, чем больше эксцентриситет. Так, при n=0,25 напряжение в 2 раза больше, чем в случае центральной нагрузки. Следовательно, перенесение точки приложения растягивающей силы в центр сечения (в рассматриваемом случае на 0,125a) снижает напряжение в брусе в 2 раза.
Введение симметричной выборки на противоположной стороне бруса (рис. 50, в), несмотря на уменьшение сечения, снижает напряжения вследствие устранения изгибающего момента.
Напряжение в этом случае
приведено на рис. 51. Введение симметричной выборки обеспечивает в интервале n от 0 до 0,4 определенный выигрыш в прочности. При n= 0,25, когда σ/σ2 = max, выигрыш равен 25 %» При n = 0,4 бруски с одно- и двусторонней выборкой становятся равнопрочными.
При внецентренном нагружении шатуна силой сжатия (рис. 52, а) в стержне шатуна возникают дополнительные напряжения изгиба, из-за чего приходится увеличивать сечение стержня, а следовательно, и массу конструкции. Тот же недостаток, но в меньшей степени присущ конструкции на рис. 52,6, где внецентренный изгиб возникает вследствие асимметрии сечения стержня относительно напра-
вления действия сил. В рациональной конструкции (рис. 52, в) с симметричными относительно нагрузки сечениями нагрузка приводится к чистому сжатию; при прочих равных условиях масса конструкции получается наименьшей.
У деталей, подвергающихся изгибу, асимметрия сечений вызывает кручение (рис. 53) и появление лишних напряжений сдвига, суммирующихся с напряжениями изгиба.
В качестве конструктивного примера на рис. 54,а,б показан рычаг, к концам которого приложены силы, действующие в плоскости А — А. Вследствие смещения плоскости действия сил относительно стержня последний подвергается скручиванию. В правильной конструкции (рис. 54, в) с сечениями, симметричными относительно действия сил, кручение ликвидировано.
В деталях, подвергающихся чистому изгибу, целесообразно вводить некоторую асимметрию сечений с целью уменьшения напряжений растяжения за счет увеличения напряжений сжатия.
Большинство конструкционных материалов лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению. Разрушение почти всегда начинается на участках, подвергаю-
щихся растяжению, а не сжатию, так как первое способствует выявлению внутренних дефектов материала (микротрещин, микропор и т. п.), которые, разрастаясь под действием растягивающих напряжений, являются началом разрушения. Напряжения сжатия, напротив, способствуют закрытию микродефектов.
Это свойство особенно резко выражено у пластичных металлов. На рис. 55 приведена диаграмма нагружения на растяжение и сжатие образцов из низкоуглеродистой стали. В случае растяжения материал проходит через хорошо известные стадии: после упругой деформации металл начинает течь (участок m) и в результате объемного наклепа упрочняется (участок n). По достижении предела прочности начинается образование шейки, заканчивающееся разрушением образца.
По-иному ведет себя материал в условиях сжатия. После периода упругих деформаций он непрерывно упрочняется как вследствие наклепа, так и вследствие увеличения поперечных размеров образца (бочкообразное расплющивание). Пластичный материал ни при каких условиях не удается довести до разрушения.
В реальных конструкциях использовать это преимущество далеко не всегда возможно, так как пластические деформации наиболее нагруженных на сжатие элементов системы (а в ферменных системах еще и продольный их изгиб) могут сделать систему неработоспособной вследствие нарушения ее геометрии, хотя разрушение системы еще не наступит,
У хрупких материалов (например, чугунов) при сжатии наступает хрупкое разрушение, начинающееся с образования трещин и заканчивающееся раскалыванием образца. Однако для таких материалов характерна резкая анизотропия механических свойств при растяжении и сжатии. Например, предел прочности чугуна при сжатии в 2,5 — 4 раза больше, чем при растяжении.
Металлы, занимающие по пластичности промежуточное положение между приведенными крайними случаями, как правило,-также лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению. Так, предел прочности при сжатии закаленной и отпущенной при 250 °C стали 45, дюралюмина Д16 после закалки и старения и твердой латуни ЛО 70-1 превышает предел прочности их при растяжении соответственно в 1,4; 1,7 и 2 раза. Исключение представляют магниевые сплавы, которые сопротивляются сжатию хуже, чем растяжению.
На рис. 56 приведены * примеры нецелесообразного (а, в) и целесообразного (б, г) нагружения профилей (изгиб консольной балки). Пониженный уровень растягивающихся напряжений в схемах б, г способствует упрочнению детали несмотря на одновременное повышение напряжений сжатия.
В несимметричных профилях соотношение между максимальными напряжениями растяжения и сжатия определяется формой профиля и далеко не всегда является оптимальным.
Прочность сталей на сжатие выше, чем на растяжение, в 1,2—1,6 раза. Для использования этого соотношения целесообразно при нагрузке одностороннего направления применять слабо асимметричные профили типа, изображенного на рис. 57, а. Участки, подвергающиеся растяжению, выгодно усиливать накладками из материала, более прочного, чем материал основной детали (рис. 57,6).
Для материалов с асимметрией прочностных свойств, сопротивляющихся сжатию лучше, чем растяжению (серый чугун, пластики), соотношение между максимальным напряжением сжатия и растяжения целесообразно увеличивать в отношении пределов прочности при сжатии и растяжении
На рис. 58 приведены нерациональная (а) и рациональная (б) конструкции литого кронштейна из серого чугуна, подвергающегося изгибу.