Удельная прочность

Уде́льная про́чность — предел прочности материала, отнесённый к его плотности. Показывает, насколько прочной будет конструкция при заданной массе.

Единица измерения: м²/с².

Удельная прочность характеризует весовую выгодность данного материала в виде стержня, работающего на растяжение-сжатие, по сравнению с другими материалами при одинаковой для всех материалов прочности. При этом вес стержня будет обратно пропорциональна удельной прочности материала. Последнее положение без всяких оговорок может применяться к стержням, работающим на растяжение, простому сжатию и сдвигу. В случаях сгиба, кручения и продольного изгиба формулы удельной прочности базируются на дополнительном условии геометрического подобия сечений стержней из сравниваемых материалов. Следовательно, при равной прочности легким по массе будет стержень, материал которого имеет большую удельную прочность.

Удельная прочность материалов особенно важна для авиастроения, ракетостроения, космических аппаратов. Поэтому, она приводится в характеристиках при выборе материала для конструктивных элементов летательных аппаратов. Чем больше удельная прочность материала, тем меньшую массу может иметь элемент конструкции, работает на растяжение или сжатие. При выборе материала для элемента с заранее заданной формой (а иногда и определёнными размерами) поперечного сечения, работающим на изгиб, продольный изгиб или кручение, необходимо использовать математические выражения, определяющие удельную прочность при этих видах нагрузок.[1]

Если разделить удельную прочность на ускорение свободного падения, то мы получим максимальную длину нити из материала постоянного сечения, которая в однородном гравитационном поле может висеть вертикально вниз, без обрыва под своим собственным весом. Для сталей эта длина составляет величину до 26 км[2].

Сравнение характеристик различных материаловПравить

Большой интерес представляет сравнительный анализ удельной прочности различных конструкционных материалов. В следующей таблице приведены результаты вычислений удельной прочности некоторых конструкционных материалов.

Удельная прочность при растяжении конструкционных материалов
Материал Допустимое
напряжение
(МПа)
Плотность
(г/см³)
Удельная прочность
(кН·м/кг)
Длина разрыва
от собственноговеса
(км)
Источник
Бетон 12 2,30 4,35 0,44
Резина 15 0,92 16,3 1,66
Медь 220 8,92 24,7 2,51
Бронза 580 8,55 67,8 6,91 [3]
Нейлон 78 1,13 69,0 7,04 [4]
Дуб 90 0,78-0,69 115-130 12-13 [5]
Полипропилен 25-40 0,90 28-44 2,8-4,5 [6]
Магний 275 1,74 158 16,1 [7]
Алюминий 600 2,80 214 21,8 [8]
Нержавеющая сталь 2000 7,86 254 25,9 [8]
Титан 1300 4.51 288 29,4 [8]
Бейнит 2500 7,87 321 32,4 [9]
Бальса 73 0,14 521 53,2 [10]
Стальная проволока Scifer® 5500 7,87 706 71,2 [9]
Углепластик 1240 1,58 785 80,0 [11]
Нитка паутины 1400 1,31 1069 109
Волокно карбида кремния 3440 3,16 1088 110 [12]
Стекловолокно 3400 2,60 1307 133 [8]
Базальтовое волокно 4840 2,70 1790 183 [13]
Железный вискер перетином 1 мкм 14000 7,87 1800 183 [9]
Вектран 2900 1,40 2071 211 [8]
KEVLAR®49 3000 1,44 2083 212 [14]
Углеродное волокно (AS4) 4300 1,75 2457 250 [8]
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности 3600 0,97 3711 378 [15]
Полимер Zylon® 5800 1,54 3766 384 [16]
Углеродные нанотрубки 62000 0,037-1,34 46268-N/A 4716-N/A [17][18]
Колоссальные углеродные трубки 6900 0,116 59483 6066 [19]

ПримечанияПравить

  1. Чумак П. И., Кривокрысенко В. Ф. 1991. — C. 87
  2. Comparison of properties of various engineering materials (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения 24 апреля 2010. Архивировано 11 марта 2006 года.
  3. RoyMech: Copper Alloys (недоступная ссылка). Дата обращения 10 сентября 2019. Архивировано 17 июля 2011 года.
  4. Polyamide Nylon 6
  5. Mechanical Properties of Wood
  6. Polypropylene
  7. eFunda: Magnesium Alloys
  8. 1 2 3 4 5 6 Vectran fiber tensile Properties. Kuraray group. Дата обращения 29 декабря 2013. Архивировано 30 декабря 2013 года.
  9. 1 2 3 52nd Hatfield Memorial Lecture: «Large Chunks of Very Strong Steel» Архивировано 23 грудень 2012. by H. K. D. H. Bhadeshia 2005
  10. Tropical Balsa Wood
  11. McGRAW-HILL ENCYCLOPEDIA OF Science & Technology, 8th Edition, (c)1997, vol. 1 p 375
  12. Specialty Materials, Inc SCS Silicon Carbide Fibers
  13. Properties Of Basalt Fiber Архивировано 4 січень 2014. (англ.)
  14. KEVLAR Technical Guide
  15. Dyneema® Fibre
  16. Toyobo Co.,Ltd. ザイロン®(PBO 繊維)技術資料 (2005) (free download PDF). Дата обращения 29 декабря 2013. Архивировано 26 апреля 2012 года.
  17. Yu, Min-Feng; Lourie, O.; Dyer, M. J.; Moloni, K.; Kelly, T. F.; Ruoff, R. S. Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load (англ.) // Science : journal. — 2000. — Vol. 287, no. 5453. — P. 637—640. — doi:10.1126/science.287.5453.637. — Bibcode2000Sci...287..637Y. — PMID 10649994.
  18. K.Hata. From Highly Efficient Impurity-Free CNT Synthesis to DWNT forests, CNTsolids and Super-Capacitors (free download PDF).
  19. Peng, H.; Chen, D.; , Huang J.Y. et al. Strong and Ductile Colossal Carbon Tubes with Walls of Rectangular Macropores (англ.) // Phys. Rev. Lett. : journal. — 2008. — Vol. 101, no. 14. — P. 145501. — doi:10.1103/PhysRevLett.101.145501. — Bibcode2008PhRvL.101n5501P. — PMID 18851539.

ЛитератураПравить

  • Чумак П. И., Кривокрысенко В. Ф. Расчет и проектирование сверхлегких самолетов. — М.: Патриот, 1991. — 238 с. — ISBN 5-7030-0224-9.