Удельная прочность

Уде́льная про́чность — предел прочности материала, отнесённый к его плотности. Показывает, насколько прочной будет конструкция при заданной массе.

Единица измерения — м²/с².

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 пропорциональна удельной прочности материала. Последнее положение без 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 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, работает на растяжение или сжатие. При выборе материала для элемента с заранее заданной формой (а иногда и определёнными размерами) поперечного сечения, 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

Категории