|
Появление высокопрочных сталей ставит с особой остротой вопросы жесткости. Модуль упругости сталей имеет постоянное значение и мало зависит от термообработки и содержания (в обычных количествах) легирующих элементов. Так как упругие деформации пропорциональны отношению напряжений к - модулю упругости, то с повышением напряжений (а в этом и состоит смысл применения высокопрочных материалов) деформация возрастает пропорционально напряжениям; жесткость падает обратно пропорционально.
Это справедливо в предположении, что длина деталей не изменяется, как это и бывает в большинстве случаев. Линейные размеры конструкции обычно заданы условиями работы машины. У генераторов и преобразователей энергии эти размеры зависят от рабочего объема и параметров рабочего процесса (например, у двигателей внутреннего сгорания - от размеров цилиндра, зависящих, в свою очередь, от рабочего давления газов); у машин-орудий - от габаритов изделий, подвергаемых обработке на данной машине; в металлоконструкциях - от строительной длины и высоты сооружений. Во всех этих случаях применение высокопрочных материалов может влиять лишь на сечение, но не на длину деталей.
В машинах, линейные размеры которых зависят только от прочности материалов (например, редукторы), применение высокопрочных материалов позволяет наряду с уменьшением сечений уменьшить длину деталей и габариты конструкции в целом. В данном случае жесткость конструкции не снижается от применения высокопрочных материалов.
Разберем случай, когда линейные размеры деталей не меняются. Пусть из двух равнопрочных на растяжение брусков одинаковой длины один изготовлен из углеродистой стали 45 с пределом прочности 500 МПа, а другой - из сверхпрочной стали с пределом прочности 5000 МПа. Жесткость второго бруска под нагрузкой, очевидно, в 10 раз меньше жесткости первого.
Деформация сжатия шатуна, выполненного из сверхпрочной стали и имеющего сечения, пропорционально уменьшенные из условия одинаковой прочности, очень большая - 4 мм. При изгибе и кручении снижение жесткости еще больше.
Пусть вал диаметром D = 60 мм и длиной L = 300 мм оперт по концам и нагружен посередине силой Р. Максимальная стрела прогиба вала под действием изгибающего момента (А/Изг = 0,25 PL)
Таким образом, применение сверхпрочных металлов с полным использованием их прочностного ресурса и уменьшением сечений детали без соответствующего сокращения длины может привести к прямо катастрофическому уменьшению жесткости.
В случае растяжения-сжатия способов борьбы с уменьшением жесткости нет, так ках при данных а и £ деформация определяется только площадью сечения и не зависит от его формы. Вследствие этого ферменные и стержневые системы, выполненные из сверхпрочных сталей, неизбежно будут обладать пониженной жесткостью.
При изгибе и кручении можно до известной степени повысить жесткость обычным путем - увеличением диаметральных размеров детали с одновременным утолщением ее стенок. Однако с увеличением моментов инерции одновременно увеличиваются и моменты сопротивления деталей, что сопровождается уменьшением напряжений. Таким образом, этот путь сводится к снижению напряжений, что скрадывает основное преимущество высокопрочных материалов; возможность повышения расчетных напряжений с соответствующим выигрышем в массе. Это преимущество удается реализовать лишь отчасти и при очень большом утонении стенок (до величины порядка 1 - 2 мм для обычных деталей в общем машиностроении), т. е. при переходе на оболочковые конструкции.
Для некоторых деталей (дисков, отсеков, зубчатых колес, шатунов, рычагов, валов) эта форма осуществима, хотя и требует коренного изменения конструкции и технологии изготовления. Поэтому наряду с увеличением моментов инерции необходимо применять другие средства уменьшения деформаций: сокращение длины деталей, более тесную расстановку опор и т. д. Во всяком случае применение сверхпрочных материалов ставит перед конструкторами и технологами новые задачи, решение которых требует значительных творческих усилий.
Положительной особенностью деталей из высокопрочных сталей является высокая способность противостоять ударным нагрузкам, обусловливаемая большой величиной упругих деформаций.
| 
