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 пропорционален удельной прочности материала. Последнее положение безо 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 более 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, работающий на растяжение или сжатие. При выборе материала для элемента с заранее заданной формой поперечного сечения (а иногда и определёнными размерами), 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 получится максимальная длина 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].
Удельная прочность при растяжении конструкционных материалов
| Материал | Допустимое напряжение, МПа | Плотность, г/см³ | Удельная прочность, (кН·м/кг | Длина разрыва от собственного веса, 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 | 14 000 | 7,87 | 1800 | 183 | [9] |
| Вектран | 2900 | 1,40 | 2071 | 211 | [8] |
| Kevlar49 | 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 | 62 000 | 0,037—1,34 | более 46 268 | более 4716 | [17][18] |
| Колоссальные углеродные трубки | 6900 | 0,116 | 59 483 | 6066 | [19] |
Примечания
- ↑ Чумак П. И., Кривокрысенко В. Ф. Расчет и проектирование сверхлегких самолетов. — М.: Патриот, 1991. — 238 с. — C. 87. — ISBN 5-7030-0224-9.
- ↑ Comparison of properties of various engineering materials (англ.). Дата обращения: 24 апреля 2010. Архивировано 11 марта 2006 года.
- ↑ RoyMech: Copper Alloys. Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано из оригинала 17 июля 2011 года.
- ↑ Polyamide Nylon 6. Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано 17 апреля 2019 года.
- ↑ Mechanical Properties of Wood. Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано 10 октября 2018 года.
- ↑ Polypropylene. Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано 7 августа 2018 года.
- ↑ eFunda: Magnesium Alloys. Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано 13 марта 2019 года.
- ↑ 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 декабря 2012 года. by H. K. D. H. Bhadeshia 2005
- ↑ Tropical Balsa Wood. Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано 2 апреля 2015 года.
- ↑ McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology, 8th Edition, 1997, vol. 1, p. 375
- ↑ Specialty Materials, Inc SCS Silicon Carbide Fibers. Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано из оригинала 4 апреля 2018 года.
- ↑ Properties Of Basalt Fiber Архивировано 4 января 2014 года. (англ.)
- ↑ KEVLAR Technical Guide. Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано из оригинала 27 мая 2013 года.
- ↑ Dyneema Fibre. Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано 28 октября 2015 года.
- ↑ 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). Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано из оригинала 15 декабря 2018 года.
- ↑ 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.
