Питома міцність

Пито́ма мі́цність — відношення максимально допустимих механічних напружень, які матеріал здатен витримати без руйнування, до густини матеріалу. Показує, наскільки міцною буде конструкція при заданому обмеженні на масу.

Одиниця вимірювання питомої міцності: м²/с².

Загальні поняття

Питома міцність характеризує вагову вигідність даного матеріалу у вигляді стрижня, що працює на розтяг-стиск, у порівнянні з іншими матеріалами при однаковій для усіх матеріалів міцності. При цьому вага стрижня буде обернено пропорційною до питомої міцності матеріалу.

Останнє положення без всяких застережень може застосовуватись до стрижнів, що працюють на розтяг, простий стиск та зсув. У випадках згину, кручення та поздовжнього згину формули питомої міцності базуються на додатковій умові геометричної подоби перерізів стрижнів з порівнюваних матеріалів.

Отже, при рівній міцності найлегшим за масою буде стрижень, матеріал якого має більшу питому міцність.

Питома міцність матеріалів особливо є важливою для авіабудування, ракетобудування, космічних апаратів. Тому, вона є найінформативнішою характеристикою при виборі матеріалу для конструктивних елементів літальних апаратів. Чим більшою є питома міцність матеріалу, тим меншу масу може мати елемент конструкції, що працює на розтяг або стискання. При виборі матеріалу для елемента із заздалегідь заданою формою (а іноді і певними розмірами) поперечного перерізу, що працює на згин, поздовжній згин або кручення, необхідно використовувати математичні вирази, що визначають питому міцність при цих видах навантажень[1]

Якщо розділити питому міцність на прискорення вільного падіння, то отримаємо максимальну довжину нитки постійного перетину з даного матеріалу, яка може висіти вертикально вниз, без розривання під своєю власною вагою. Для сталей ця довжина становить величину до 25,9 км[2].

Порівняння характеристик різних матеріалів

Великий інтерес становить порівняльний аналіз питомої міцності різних конструкційних матеріалів. У наступній таблиці наведені результати обчислень питомої міцності деяких конструкційних матеріалів.

Питома міцність при розтягу конструкційних матеріалів
МатеріалДопустиме
напруження
(МПа)		Густина
(г/см³)		Питома міцність
(кН·м/кг)		Довжина розривання
від власної ваги
(км)		Джерело
Бетон122,304,350,44
Ґума150,9216,31,66
Мідь2208,9224,72,51
Бронза5808,5567,86,91[3]
Нейлон781,1369,07,04[4]
Дуб900,78-0,69115-13012-13[5]
Поліпропілен25-400,9028-442,8-4,5[6]
Магній2751,7415816,1[7]
Алюміній6002,8021421,8[2]
Неіржавна сталь20007,8625425,9[2]
Титан13004.5128829,4[2]
Бейніт25007,8732132,4[8]
Бальсове дерево (поздовжнє навантаження)730,1452153,2[9]
Сталевий дріт Scifer®55007,8770671,2[8]
Вуглепластик12401,5878580,0[10]
Нитка павутини14001,311069109
Волокно карбіду кремнію34403,161088110[11]
Скловолокно34002,601307133[2]
Базальтове волокно48402,701790183[12]
залізний віскер перетином 1 мкм140007,871800183[8]
Вектран29001,402071211[2]
KEVLAR®4930001,442083212[13]
Вуглецеве волокно (AS4)43001,752457250[2]
Надвисокомолекулярний поліетилен високої щільності
(англ. Ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE)		36000,973711378[14]
Полімер Zylon®58001,543766384[15]
Вуглецеві нанотрубки620000,037-1,3446268-N/A4716-N/A[16][17]
Колосальні вуглецеві трубки69000,116594836066[18]

Див. також

Примітки
  1. Чумак П. И., Кривокрысенко В. Ф. 1991. — C. 87
  2. Vectran fiber tensile Properties. Kuraray group. Архів оригіналу за 30 грудня 2013. Процитовано 29 грудня 2013.
  3. RoyMech: Copper Alloys. Архів оригіналу за 17 липня 2011. Процитовано 29 грудня 2013.
  4. Polyamide Nylon 6
  5. Mechanical Properties of Wood
  6. Polypropylene
  7. eFunda: Magnesium Alloys
  8. 52nd Hatfield Memorial Lecture: «Large Chunks of Very Strong Steel» Архівовано 23 грудня 2012 у Archive.is by H. K. D. H. Bhadeshia 2005
  9. Tropical Balsa Wood
  10. McGRAW-HILL ENCYCLOPEDIA OF Science & Technology, 8th Edition, (c)1997, vol. 1 p 375
  11. Specialty Materials, Inc SCS Silicon Carbide Fibers
  12. Properties Of Basalt Fiber Архівовано 4 січня 2014 у Wayback Machine.(англ.)
  13. KEVLAR Technical Guide
  14. Dyneema® Fibre
  15. Toyobo Co.,Ltd. ザイロン®(PBO 繊維)技術資料 (2005) (free download PDF). Архів оригіналу за 26 квітня 2012. Процитовано 29 грудня 2013.
  16. Yu, Min-Feng; Lourie, O; Dyer, MJ; Moloni, K; Kelly, TF; Ruoff, RS (2000). Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load. Science 287 (5453): 637–640. Bibcode:2000Sci...287..637Y. PMID 10649994. doi:10.1126/science.287.5453.637.
  17. K.Hata. From Highly Efficient Impurity-Free CNT Synthesis to DWNT forests, CNTsolids and Super-Capacitors (free download PDF).
  18. Peng, H.; Chen, D.; et al., Huang J.Y. et al. (2008). Strong and Ductile Colossal Carbon Tubes with Walls of Rectangular Macropores. Phys. Rev. Lett. 101 (14): 145501. Bibcode:2008PhRvL.101n5501P. PMID 18851539. doi:10.1103/PhysRevLett.101.145501.

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

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.