Один из основных способов уменьшения массы – рациональное нагружение деталей с максимальным использованием их материала.
На рисунке 1 дан пример использования материала при различных видах нагружения детали круглого сечения. Величина напряжений условно показана толщиной линий штриховки.
При изгибе сечение работает преимущественно крайними точками, расположенными в плоскости действия силы. По мере приближения к нейтральной оси напряжения уменьшаются вплоть до нуля. В случае кручения все точки периферии нагружены одинаково. Однако напряжения в кольцевых сечениях убывают по мере приближения к центру, где они становятся равными нулю.
Наиболее выгоден случай растяжения-сжатия, когда все точки сечения работают при одинаковом напряжении и материал используется наиболее полно.
Где только можно, следует заменять изгиб растяжением-сжатием, как это делается, например, в стрежневых и ферменных системах.
Там, где изгиб неизбежен по функциональному назначению детали, его отрицательное влияние следует минимизировать, применяя рациональные сечения с разноской материала по направлению действия максимальных напряжений. Так же следует уменьшать изгибающий момент упрочнением плеча изгибающей силы, т.е. уменьшать пролеты между опорами, рационально расставлять опоры и устранять консольное нагружение, невыгодное по величине напряжений и деформаций.
В системах работающих на растяжение-сжатие, изгиб нередко возникает в результате асимметрии сечений, внецентренного приложения нагрузки или криволинейности формы детали.
При внецентровом нагружении шатуна силой сжатия (рисунок 2, а) в стержне шатуна возникают дополнительные напряжения изгиба, из-за чего приходиться увеличивать сечение стержня, а следовательно, и массу конструкции. Тот же недостаток, но в меньшей степени, присущ конструкции на рисунке 2,б, где внецентренный изгиб возникает вследствие асимметрии сечения стержня относительно направления действия сил. В рациональной конструкции (рисунок 2, в) с симметричными относительно нагрузки сечениями нагрузка приводится к чистому сжатию; при прочих равных условиях масса конструкции получается наименьшей.
У деталей, подвергающихся изгибу, асимметрия сечения вызывает кручение (рисунок 3) и появление лишних напряжений сдвига, суммирующихся с напряжениями изгиба.
В деталях, подвергающихся чистому изгибу, целесообразно вводить некоторую асимметрию сечения с целью уменьшения напряжений растяжения за счет увеличения напряжений сжатия. Делать это следует по той причине, что большинство конструкционных материалов лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению. Разрушение почти всегда начинается на участках, подвергающихся растяжению, а не сжатию, так как первое способствует выявлению внутренних дефектов материала (микротрещин, микропор и т.п.), которые разрастаясь под действием растягивающих напряжений, кладут начало разрушению. Напряжения сжатия, напротив способствуют закрытию микродефектов.
Это свойство особенно резко выражено у пластичных металлов. На рисунке 4 приведена диаграмма нагружения на растяжение и сжатие образцов из низкоуглеродистой стали. В случае растяжения после упругой деформации металл начинает течь (участок m) и в результате объемного наклепа упрочняется (участок n). По достижении предела прочности начинается образование шейки, заканчивающееся разрушением образца.
По-иному ведет себя материал в условиях сжатия. После периода упругих деформаций он непрерывно упрочняется, как вследствие наклепа, так и вследствие увеличения поперечных размеров образца (бочкообразное расплющивание).
У хрупких материалов (например, чугунов) при сжатии наступает хрупкое разрушение, начинающееся с образования трещин и заканчивающееся раскалыванием образца. Однако для таких материалов характерна резкая анизотропия механических свойств при растяжении и сжатии. Например, предел прочности чугуна при сжатии в 2,5-4 раза больше, чем при растяжении.
Металлы, занимающие по пластичности промежуточное положение между приведенными крайними случаями, как правило, так же лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению. Исключение представляют магниевые сплавы, которые сопротивляются сжатию хуже, чем растяжению.