Численные значения допускаемых напряжений, участвующих в расчетах по критерию прочности, определяются, в первую очередь, механическими свойствами конструкционных материалов. Расчеты по другим критериям работоспособности также необходимым образом учитывают целый ряд механических характеристик материалов. Важнейшими свойствами материалов с точки зрения их использования при изготовлении химического оборудования являются следующие: - прочность – способность сопротивляться нагрузкам без разрушения; - упругость – способность восстанавливать первоначальные размеры и форму после снятия нагрузки; - пластичность – способность получать, не разрушаясь, значительную остаточную деформацию после снятия нагрузки; противоположное свойство называют хрупкостью; - твердость – способность сопротивляться при местных контактных воздействиях пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое; - выносливость – способность сопротивляться разрушению от усталости, т. е. возникновению и развитию трещин под влиянием многократно повторяющихся нагружений. В зависимости от назначения элемента оборудования и характера нагрузок, которые он испытывает, в расчетах учитывают не все, а лишь отдельные из перечисленных механических свойств. Так, при конструировании опорных устройств оборудования, работающих преимущественно на сжатие, определяющую роль играет высокая прочность материала при сжатии, для элементов крепежа (болтов, шпилек) фланцевых соединений аппаратов, работающих при повышенном давлении, наиболее важным свойством является высокая прочность материала при растяжении, для валов компрессоров основное свойство материала – выносливость. Каждому свойству конструкционного материала соответствует определенная количественная характеристика. Численные значения таких характеристик для конкретного материала находятся по результатам специальных испытаний. Наиболее распространенным испытанием материалов является испытание их на растяжение. Оно позволяет получить количественные характеристики прочности, упругости и пластичности, которые к тому же дают достаточное точное представление о поведении материала при других видах деформации: сжатии, сдвиге, кручении и изгибе. Испытания на растяжение проводят на особых разрывных машинах с использованием стандартных образцов, изготовленных из 118 испытываемого материала. Разрывные машины нагружают образец медленно возрастающей (статической) нагрузкой от нуля до величины, разрушающей образец. Во время испытания фиксируется зависимость абсолютного удлинения образца l от величины растягивающей силы F. График этой зависимости носит название диаграммы растяжения. По оси ординат в определенном масштабе откладывается величина силы в различные моменты испытания, а по оси абсцисс – величина абсолютного удлинения. На рис. 38 показана диаграмма растяжения, характерная для малоуглеродистых сталей. Из нее видно, что поведение материала при растяжении на разных стадиях испытания совершенно различно. В начале нагружения при сравнительно малых значениях растягивающей силы диаграмма линейна: здесь удлинение образца пропорционально силе F. Следовательно, в этой области деформаций справедлив закон Гука (5.10). Деформации имеют упругий характер и практически полностью исчезают после снятия нагрузки. Границе области линейной зависимости F) соответствует определенное значение растягивающей силы Fпц. Указанное значение зависит, конечно, не только от свойств материала, но и от размеров образца. Чтобы исключить зависимость от размера образца, силу Fпц относят к первоначальной площади поперечного сечения А0 образца. Согласно (5.8), в результате получится напряжение, которое принято обозначать пц и которое называется пределом пропорциональности:  Таким образом, пределом пропорциональности называется то наибольшее напряжение, до которого деформации в материале растут пропорционально напряжениям, т. е. справедлив закон Гука. Предел пропорциональности представляет собой первую  количественную характеристику, отвечающую упругим свойствам конструкционного материала. Следующая характерная точка диаграммы растяжения соответствует началу появления в материале первых остаточных деформаций. Этой точке отвечает значение растягивающей силы  и напряжение в материале , которое называется пределом упругости. При достижении предела упругости относительная деформация не превышает 0.002 ? 0.005 %. Для большинства материалов предел упругости мало отличается от предела пропорциональности. При дальнейшем увеличении нагрузки F зависимость l(F) резко меняется. Удлинение образца начинает расти почти без увеличения силы (образец испытывает пластическое деформирование – «течет»). Это явление называется текучестью. Площадке текучести (горизонтальному участку диаграммы растяжения, рис. 38) отвечает значение силы Fт и напряжение в материале  т = Fт / А0 , которое называется пределом текучести. Предел текучести является одной из важнейших механических характеристик конструкционных материалов, поскольку его превышение приводит к недопустимым остаточным деформациям и выходу из строя оборудования. За пределом текучести материал вновь начинает оказывать сопротивление деформации. Однако характер зависимости  совсем другой, чем в области упругих деформаций. Остаточные деформации быстро нарастают с увеличением нагрузки, которая в некоторой точке достигает своего максимального значения Fmax. С этого момента начинается процесс разрушения образца. Поэтому напряжение, отвечающее этому значению нагрузки, называется пределом прочности: пч = Fmax / А0 . Часто эту характеристику материала называют временным сопротивлением и обозначают в. Процесс разрушения на диаграмме растяжения описывается нисходящей ветвью. Он начинается с образования местного сужения образца, называемого шейкой. Деформации теперь происходят в основном здесь. Они приводят к быстрому уменьшению поперечного сечения в районе шейки и разрыву образца. По силе Fк в момент разрыва (рис. 38) и площади поперечного сечения Ак образца в месте его разрушения можно определить напряжение в материале в момент его разрушения:  к = Fк / Ак. Это напряжение иногда называют истинным пределом прочности. Предел текучести и предел прочности, найденные по результатам испытаний на растяжение, служат для определения численных значений допускаемых напряжений, входящих в условия прочности. В случае пластичных материалов допускаемое напряжение определяется через предел текучести: [т / nт. Коэффициент nт называется коэффициентом запаса текучести, величина которого 120 регламентируется государственными стандартами. Для хрупких материалов в качестве предельного напряжения используется предел прочности: [/ nпч . Судить о том, является материал хрупким или пластичным позволяют численные значения других характеристик: относительного удлинения и относительного сужения. Относительное удлинение после разрыва образца определяется соотношением: , где lк – длина образца после разрыва, l0 – длина в начале испытания. Относительное сужение после разрыва определяется по площади сечения Ак в месте разрыва образца: 100 . Чем больше две последние характеристики, тем материал пластичнее. Примерами пластичных материалов могут служить малоуглеродистая сталь, медь, свинец. Для них относительное удлинение ? > 5 %. Чем ниже эти характеристики, тем более хрупок материал. Примерами хрупких материалов являются закаленная сталь, чугун, стекло. Для них относительное удлинение ? < 5 %. Испытания, о которых шла речь, обычно проводятся при комнатной температуре. Однако, пластичность материала, а также характеристики его механических свойств сильно зависят от температуры, а также от других факторов: термической обработки, химического состава, времени испытания. У большинства материалов с повышением температуры повышается пластичность и понижается прочность. При низких температурах, наоборот, характеристики пластичности сильно снижаются. Многие марки стали, например, становятся более хрупкими и хладноломкими особенно при динамическом нагружении. В связи с этим для каждого материала имеется предельная температура, ниже которой его применение становится недопустимым. При высоких температурах начинает заметно проявляться еще одно свойство материалов – ползучесть, т. е. появление и рост с течением времени пластических деформаций при напряжениях значительно ниже предела текучести, полученного при статических испытаниях. Количественной характеристикой этого свойства является предел ползучести, которым называется то наибольшее рабочее напряжение, при котором деформация материала при данной 121 температуре за определенный промежуток времени не превысит наперед заданной величины.