Удельная прочность
Уде́льная про́чность — предел прочности материала, отнесённый к его плотности. Показывает, насколько прочной будет конструкция при заданной массе.
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 материалов[править | править код]
Большой интерес представляет сравнительный анализ удельной прочности различных конструкционных материалов. В следующей таблице приведены результаты вычислений удельной прочности некоторых 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] |
Примечания[править | править код]
- ↑ Чумак П. И., Кривокрысенко В. Ф. 1991. — C. 87
- ↑ Comparison of properties of various engineering materials (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 24 апреля 2010. Архивировано 11 марта 2006 года.
- ↑ RoyMech: Copper Alloys (недоступная ссылка). Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано 17 июля 2011 года.
- ↑ Polyamide Nylon 6
- ↑ Mechanical Properties of Wood
- ↑ Polypropylene
- ↑ eFunda: Magnesium Alloys
- ↑ 1 2 3 4 5 6 Vectran fiber tensile Properties . Kuraray group. Дата обращения: 29 декабря 2013. Архивировано 30 декабря 2013 года.
- ↑ 1 2 3 52nd Hatfield Memorial Lecture: «Large Chunks of Very Strong Steel» Архивировано 23 грудень 2012. by H. K. D. H. Bhadeshia 2005
- ↑ Tropical Balsa Wood
- ↑ McGRAW-HILL ENCYCLOPEDIA OF Science & Technology, 8th Edition, (c)1997, vol. 1 p 375
- ↑ Specialty Materials, Inc SCS Silicon Carbide Fibers
- ↑ Properties Of Basalt Fiber Архивировано 4 січень 2014. (англ.)
- ↑ KEVLAR Technical Guide
- ↑ Dyneema® Fibre
- ↑ 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.
- ↑ 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. — . — PMID 10649994.
- ↑ K.Hata. From Highly Efficient Impurity-Free CNT Synthesis to DWNT forests, CNTsolids and Super-Capacitors (free download PDF).
- ↑ 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. — . — PMID 18851539.
Литература[править | править код]
- Чумак П. И., Кривокрысенко В. Ф. Расчет и проектирование сверхлегких самолетов. — М.: Патриот, 1991. — 238 с. — ISBN 5-7030-0224-9.