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
Матеріал Допустиме
напруження
(МПа)		 Густина
(г/см³)		 Питома міцність
(кН·м/кг)		 Довжина розривання
від власної ваги
(км)		 Джерело
Бетон 12 2,30 4,35 0,44
Ґума 15 0,92 16,3 1,66
Мідь 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]
Поліпропілен 25-40 0,90 28-44 2,8-4,5 [6]
Магній 275 1,74 158 16,1 [7]
Алюміній 600 2,80 214 21,8 [2]
Неіржавна сталь 2000 7,86 254 25,9 [2]
Титан 1300 4.51 288 29,4 [2]
Бейніт 2500 7,87 321 32,4 [8]
Бальсове дерево (поздовжнє навантаження) 73 0,14 521 53,2 [9]
Сталевий дріт Scifer® 5500 7,87 706 71,2 [8]
Вуглепластик 1240 1,58 785 80,0 [10]
Нитка павутини 1400 1,31 1069 109
Волокно карбіду кремнію 3440 3,16 1088 110 [11]
Скловолокно 3400 2,60 1307 133 [2]
Базальтове волокно 4840 2,70 1790 183 [12]
залізний віскер перетином 1 мкм 14000 7,87 1800 183 [8]
Вектран 2900 1,40 2071 211 [2]
KEVLAR®49 3000 1,44 2083 212 [13]
Вуглецеве волокно (AS4) 4300 1,75 2457 250 [2]
Надвисокомолекулярний поліетилен високої щільності
(англ. Ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE)		 3600 0,97 3711 378 [14]
Полімер Zylon® 5800 1,54 3766 384 [15]
Вуглецеві нанотрубки 62000 0,037-1,34 46268-N/A 4716-N/A [16][17]
Колосальні вуглецеві трубки 6900 0,116 59483 6066 [18]

Див. також

Примітки

  1. ↑ Чумак П. И., Кривокрысенко В. Ф. 1991. — C. 87
  2. ↑ а б в г д е ж 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. Архів оригіналу за 17 квітня 2019. Процитовано 29 грудня 2013.
  5. ↑ Mechanical Properties of Wood
  6. ↑ Polypropylene
  7. ↑ eFunda: Magnesium Alloys
  8. ↑ а б в 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. Архів оригіналу за 4 квітня 2018. Процитовано 29 грудня 2013.
  12. ↑ Properties Of Basalt Fiber [Архівовано 4 січня 2014 у Wayback Machine.](англ.)
  13. ↑ KEVLAR Technical Guide (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 27 травня 2013. Процитовано 29 грудня 2013.
  14. ↑ Dyneema® Fibre
  15. ↑ Toyobo Co.,Ltd. ザイロン®(PBO 繊維)技術資料 (2005) (PDF). Архів оригіналу (free download PDF) 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. doi:10.1126/science.287.5453.637. PMID 10649994.
  17. ↑ K.Hata. From Highly Efficient Impurity-Free CNT Synthesis to DWNT forests, CNTsolids and Super-Capacitors (PDF). Архів оригіналу (free download PDF) за 15 грудня 2018. Процитовано 29 грудня 2013.
  18. ↑ Peng, H.; Chen, D.; et al., Huang J.Y. та ін. (2008). Strong and Ductile Colossal Carbon Tubes with Walls of Rectangular Macropores. Phys. Rev. Lett. 101 (14): 145501. Bibcode:2008PhRvL.101n5501P. doi:10.1103/PhysRevLett.101.145501. PMID 18851539. {{cite journal}}: Явне використання «та ін.» у: |author= (довідка)

Джерела

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

Посилання