Нагрузки и воздействие в материаловедении

Воздействие в материаловедении

Одна и та же деталь может годами держать вес — и вдруг лопнуть от короткого удара. Всё дело в том, какая нагрузка на неё действует и в каких условиях она работает. Материал испытывает десятки разных сил и внешних факторов, и у каждого — свой характер и свои последствия. Разберём по порядку: что такое нагрузка, какими бывают её виды и какие воздействия окружающей среды приходится учитывать.

Пятнадцать видов нагрузок

Нагрузки различают по тому, как они приложены, как меняются во времени и к чему приводят. Вот основные виды, которые действуют на материал или изделие.

1. Силовая. Совокупность силовых воздействий — как от самих нагрузок, так и от смещения опор.
2. Динамическая. Быстро меняет во времени точку приложения, направление или величину.
3. Кратковременная. Разновидность динамической, длительность которой мала по сравнению с периодом колебаний системы.
4. Нагружение. Совокупность дефектов, нагрузок и деформаций, рассматриваемых вместе с установленными постоянными и временными воздействиями.
5. Критическая. Соответствует наименьшей нагрузке, при которой система теряет устойчивость.
6. Временная. Действует ограниченное время и в отдельные периоды может отсутствовать вовсе. Делится на кратковременные, длительные и особые — последние возникают редко и при особых условиях.
7. Периодическая. Разновидность динамической, у которой величина и направление меняются периодически.
8. Подвижная. Занимает в рассматриваемой системе разное положение.
9. Полезная. Разновидность временной, зависящая от целевого назначения материала, конструкции или изделия.
10. Постоянная. Действует в течение всего срока службы изделия или системы.
11. Предельная. Соответствует одному из предельных состояний изделия.
12. Разрушающая. Приводит к разрушению материала.
13. Распределённая. Непрерывно приложена к поверхности, а её интенсивность непостоянна — меняется по линейному, квадратичному или иному закону.
14. Статическая. Величина, направление и интенсивность не зависят от времени либо меняются так медленно, что силы инерции в расчёт не берут.
15. Ударная. Разновидность динамической, возникающая при ударе тел.

Пять групп воздействий

Современные машины и оборудование работают в самых разных условиях: радиация, давление, растущие нагрузки, широкий диапазон режимов, скоростей и длительности эксплуатации. Все воздействующие факторы сводятся к пяти основным группам:

1. электромагнитные и ионизирующие излучения;
2. механические воздействия;
3. специальные среды;
4. климатические воздействия;
5. биологические воздействия.

Есть и другое деление — на внешние и внутренние. Внешние, в свою очередь, распадаются на температурные, космические, климатические и механические.

Климатические воздействия

Климат оценивают по трём параметрам — влажности, температуре и давлению. По температуре выделяют два режима:

• повышенных температур — от +50 до +80 °C;
• пониженных температур — от +5 до −40 °C.

Отдельно материалы проверяют на гидроустойчивость.

Механические испытания

В зависимости от характера механического воздействия испытания материалов делят на несколько типов:

• на жёсткость и прочность;
• разрушающие и неразрушающие;
• на ускорения или центробежные нагрузки;
• на разрушение и прочность;
• на воздействие вибраций;
• на критическую нагрузку;
• на удар;
• на разрыв-растяжение;
• на изгиб и сжатие;
• на кручение;
• на сдвиг;
• на излом.

Биологические воздействия

Влияние живых организмов на материал тоже неоднородно. Здесь выделяют три направления:

• механические — уничтожение, столкновение, прогревание;
• ухудшающие эксплуатационные свойства — биообрастания, биозагрязнения, биозасорения;
• биохимическое разрушение — физико-химическая коррозия и разрушения, вызванные питанием организмов.

Космические факторы

Для материалов, работающих за пределами планеты, набор угроз особый. Наиболее значимые космические факторы: метеорные частицы, глубокий космический вакуум, захламлённость космоса, потоки ядер гелия, радиационные пояса планеты, перепад температур между теневой и солнечной сторонами, а также гравитационные и магнитные поля планеты.

Ионизирующее излучение

Ионизирующее излучение — это различные виды частиц и физических полей, способные ионизировать вещество. Самые значимые его типы:

• потоки заряженных частиц — альфа-частицы гелия-4, нейтроны, протоны и другие;
• коротковолновое электромагнитное излучение — рентгеновское и гамма-излучение.

Так складывается полная картина: сначала определяют, какая именно нагрузка действует на материал — от статической до ударной, — а затем учитывают внешнюю обстановку, будь то климат, механика, биология, космос или излучение. Именно сочетание этих факторов и решает, выдержит ли изделие свой срок службы.