Длительная прочность на растяжение
Предел длительной прочности
Как отмечалось выше, разрушение образца, находящегося в условиях ползучести, может происходить как с образованием шейки (вязкое разрушение), так и без него (хрупкое разрушение). В первом случае разрушение, как правило, носит внутризеренный (транскристаллический) характер, во втором — межзеренный (интеркристаллический) характер. При этом наблюдаются многочисленные трещины внутри материала.
Разрушение первого типа характерно для поликристалличе- ских металлов при относительно невысоких температурах и относительно больших скоростях деформации, а также для металлических монокристаллов. Разрушение второго типа обычно наблюдается в поликристаллических металлах при относительно высоких температурах и относительно малых скоростях деформации. Иногда встречается разрушение смешанного типа, промежуточное между описанными выше, частично транскристаллическое, а частично интеркристаллическое, причем последнее имеет место в области, примыкающей к поверхности образца. Разрушение этого типа встречается в поликристаллических металлах при температурах, промежуточных по отношению к температурам первого и второго типов разрушения. Такой смешанный тип разрушения обычно не сопровождается образованием шейки. Таким образом, с повышением температуры вязкое разрушение сменяется хрупким.
Установлено, что с увеличением длительности пребывания металла в нагретом состоянии вследствие постепенного ослабления границ зерен наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому. Это явление называется охрупчиванием материала.
Из изложенного вытекает ошибочность утверждения того, что в условиях ползучести на концентрацию напряжений можно не обращать внимания, поскольку пики напряжений в условиях ползучести якобы сглаживаются. В действительности, в рассматриваемом случае при хрупком разрушении оно начинается, как правило, в окрестности концентраторов напряжений. Поэтому изучение концентрации напряжений в условиях ползучести имеет большое практическое значение.
Прочность материала, находящегося длительное время в напряженном состоянии при высокой температуре, оценивается пределом длительной прочности. Пределом длительной прочности оДЛ называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через определенный промежуток времени, к первоначальной площади поперечного сечения.
Таким образом, предел длительной прочности является условным напряжением. Для рассматриваемого материала он зависит от температуры испытания и отрезка времени до момента разрушения. Последний выбирают равным сроку службы детали. В настоящее время в зависимости от условий эксплуатации деталей представляют интерес пределы длительной прочности, определенные на базе 102—105 ч. Очевидно, что с увеличением температуры и заданного промежутка времени до разрушения предел длительной прочности снижается.
При исследовании длительной прочности материала испытывается несколько одинаковых образцов при различных напряжениях и устанавливается время, необходимое для разрушения каждого образца. По результатам испытаний строят график зависимости предела длительной прочности от времени испытания до разрушения и по нему определяют предел длительной прочности для заданного промежутка времени испытания до разрушения.
В логарифмических координатах график зависимости предела длительной прочности от времени имеет вид ломаной линии, состоящей из двух прямых (рис. 6.1). Точка перелома графика обычно соответствует переходу от транскристаллического к интеркристаллическому разрушению. На рис. 6.1 крестиками изображены результаты испытаний образцов, разрушившихся транскристаллически, а кружочками — результаты опытов, завершившихся интеркристаллическим разрушением. Очевидно, что в определенных интервалах времени и напряжений точки перегиба на рассматриваемом графике может и не быть.
Поскольку в логарифмических координатах график зависимости предела длительной прочности от времени является линейным, зависимость времени до разрушения от предела длительной прочности является степенной:
где А и т для определенного материала зависят от температуры и характера разрушения транскристаллического или интеркристаллического; а,. — произвольная величина напряжения (см. § 2).
На рис. 6.2 в логарифмических координатах изображены графики зависимости предела длительной прочности от времени испытания до разрушения при различных температурах для сплава ХН70ВМТЮ (981.
Формула (6.1) устанавливает зависимость предела длительной прочности от времени разрушения для некоторого материала
Рис. 6.1. Зависимость предела длительной прочности от времени испытания до разрушения
Рис. 6.2. Кривые длительной прочности жаропрочного сплава на никелевой основе I98J: О —пределы длительной прочности, полученные при разрушении монотонно возрастающим напряжением
при определенной температуре. Для того чтобы отразить влияние на длительную прочность температуры, установить так называемые температурно-временные зависимости длительной прочности, были предложены различные температурно-временные параметры Я, являющиеся функциями предела длительной прочности. Это означает, что результаты испытаний на длительную прочность при различных температурах можно представить в виде одного графика зависимости предела длительной прочности от температурно-временного параметра Я.
Параметр Ларсона—Миллера [1251 имеет вид
где Т— абсолютная температура; lg t—десятичный логарифм времени; с — постоянная материала.
Параметр Мэнсона—Хаферда [112] определяется формулой
где Та и ta — постоянные материала.
С помощью параметра Мэнсона—Хаферда, содержащего две постоянные, можно лучше отразить экспериментальные результаты, чем с помощью параметра Ларсона—Миллера, в который включена только одна постоянная.
На рис. 6.3 изображена зависимость предела длительной прочности от параметра Ларсона—Миллера для коррозионно- стойкой стали [1251, а на рис. 6.4 — от параметра Мэнсона— Хаферда для двух марок нимоника [112 |.
Как следует из этих рисунков, для рассматриваемых материалов эксперименты подтвердили как температурно-временной параметр Ларсона—Миллера, так и параметр Мэнсона—Хаферда.
Одновременно с экспериментальным определением предела длительной прочности материала иногда устанавливают и оста-
Рис. 6.3. Зависимость предела длительной прочности от температурновременного параметра Ларсона— Миллера (125): ф—кратковременные испытания; о — 649° С, ? — 740° С, Д — 760° С; V — 815° С. А — 871° С; X — 970° С
![Зависимость предела длительной прочности от температурно-временного параметра Мэйсона—Хаферда [112]](https://studme.org/htm/img/39/2549/555.png)
Рис. 6.4. Зависимость предела длительной прочности от температурно-временного параметра Мэйсона—Хаферда [112]:
1 — нимоник 80А; 2 — нимомнк 90; О 3000 ч
точную деформацию образца при разрыве. Она определяется как отношение остаточного удлинения при разрыве к первоначальной длине образца и в случае разрушения образца с образованием шейки представляет собой условную деформацию.
Очевидно, что эта величина является характеристикой пластичности материала, находящегося длительное время в напряженном состоянии при высокой температуре. Как следует из вышеизложенного, с уменьшением напряжения, т. е. с увеличением длительности пребывания металла при высокой температуре, остаточная деформация при разрыве уменьшается (охрупчивание материала).
На рис. 6.5 представлены графики зависимости остаточной деформации при разрыве от времени испытания до разрушения для сплавов трех марок (106]. Известны случаи разрыва образцов высоколегированных сталей при остаточной деформации, равной 1—2% [106].
Рассмотрим влияние концентрации напряжений на длительную прочность. Экспериментальные исследования показывают,
![Зависимость остаточной деформации при разрыве от времени испытания до разрушения для сплавов трех марок [106]](https://studme.org/htm/img/39/2549/556.png)
Рис. 6.5. Зависимость остаточной деформации при разрыве от времени испытания до разрушения для сплавов трех марок [106]
Рис. 6.6. Зависимости предела длительной прочности от времени до разрушения, полученные при испытании образцов с концентратором (ф) и без концентратора (О) напряжений:
а — теплоустойчивая сталь, температура испытания 550е С [IIJ: б — жаропрочный сплав на никелевой основе, температура испытания 650° С [12]
что концентрация напряжений в условиях ползучести может вызвать как снижение, так и повышение длительной прочности в зависимости от материала образцов. На рис. 6.6 представлены приведенные в работах В. Н. Бойкова [11, 12] графики зависимости предела длительной прочности от времени для гладких образцов и образцов с концентратором напряжений, выполненных из теплоустойчивой стали и жаропрочного сплава на никелевой основе. Концентратором напряжений была глубокая выточка — несколько измененный, по рекомендации Г. В. Ужика, круговой гиперболический глубокий надрез Нсйбера. Как следует из этих графиков, для более хрупкой стали концентрация напряжений снижает длительную прочность, а для сплава с более высоким уровнем пластических свойств концентрация напряжений повышает длительную прочность. Однако прямая длительной прочности образцов с концентратором напряжений для сплава хотя и расположена выше прямой длительной прочности гладких образцов, но наклонена к ней. Следовательно, можно ожидать пересечения этих прямых и снижения длительной прочности при испытаниях большей продолжительности.
Объяснение различного влияния концентрации напряжений на длительную прочность в зависимости от материала образцов можно дать на основе анализа напряженного состояния в окрестности концентратора в условиях ползучести [121. На рис. 6.7 изображен примерный вид эпюр осевых окружных а, и радиальных ог напряжений в наименьшем поперечном сечении образца. Напряженное состояние точек в окрестности концентратора — трехосное растяжение. У материалов с низкими пластическими свойствами эпюры осевых и окружных напряжений имеют резкий подъем от средней части к периферии. Пики напряжений с течением времени сохраняются, что приводит к снижению прочРис. 6.7. Эпюры осевых (/), окружных (2) и радиальных (5) напряжений в точках наименьшего поперечного сечения образца с глубокой выточкой в начальный момент времени (сплошные линии) и после перераспределения напряжений в течение некоторого промежутка времени (штриховые линии)
ности надрезанных образцов по сравнению с гладкими. У материалов с более высоким уровнем пластических свойств пики напряжений меньше и с течением времени они уменьшаются. Трехосное растяжение в окрестности надреза затрудняет развитие деформации ползучести, и поэтому длительная прочность образцов с концентратором может быть выше, чем гладких.
Источник
14Ноя
By: Семантика
Без рубрики
Comment: 0
Содержание статьи
- Предел прочности
- Как производится испытание на прочность
- Виды ПП
- Предел прочности на растяжение стали
- Предел текучести и временное сопротивление
- Усталость стали
- Предел пропорциональности
- Как определяют свойства металлов
- Механические свойства
- Классы прочности и их обозначения
- Формула удельной прочности
- Использование свойств металлов
- Пути увеличения прочностных характеристик
При строительстве объектов обязательно необходимо использовать расчеты, включающие подробные характеристики стройматериалов. В обратном случае на опору может быть возложена слишком большая, непосильная нагрузка, из-за чего произойдет разрушения. Сегодня поговорим о пределе прочности материала при разрыве и натяжении, расскажем, что это такое и как работать с этим показанием.
Предел прочности
ПП – будем использовать это сокращение, а также можно говорить об официальном сочетании «временное сопротивление» – это максимальная механическая сила, которая может быть применена к объекту до начала его разрушения. В данном случае мы не говорим о химическом воздействии, но подразумеваем, что нагревание, неблагоприятные климатические условия, определенная среда могут либо улучшать свойства металла (а также дерева, пластмассы), либо ухудшать.
Ни один инженер не использует при проектировании крайние значения, потому что необходимо оставить допустимую погрешность – на окружающие факторы, на длительность эксплуатации. Рассказали, что называется пределом прочности, теперь перейдем к особенностям определения.
Как производится испытание на прочность
Изначально особенных мероприятий не было. Люди брали предмет, использовали его, а как только он ломался, анализировали поломку и снижали нагрузку на аналогичное изделие. Теперь процедура гораздо сложнее, однако, до настоящего времени самый объективный способ узнать ПП – эмпирический путь, то есть опыты и эксперименты.
Все испытания проходят в специальных условиях с большим количеством точной техники, которая фиксирует состояние, характеристики подопытного материала. Обычно он закреплен и испытывает различные воздействия – растяжение, сжатие. Их оказывают инструменты с высокой точностью – отмечается каждая тысячная ньютона из прикладываемой силы. Одновременно с этим фиксируется каждая деформация, когда она происходит. Еще один метод не лабораторный, а вычислительный. Но обычно математический анализ используется вместе с испытаниями.
Определение термина
Образец растягивается на испытательной машине. При этом сначала он удлиняется в размере, а поперечное сечение становится уже, а затем образуется шейка – место, где самый тонкий диаметр, именно здесь заготовка разорвется. Это актуально для вязких сплавов, в то время как хрупкие, к ним относится чугун и твердая сталь, растягиваются совсем незначительно без образования шейки. Подробнее посмотрим на видео:
Виды ПП
Временное сопротивление разрыву определяют по различным воздействиям, согласно этому его классифицируют по:
- сжатию – на образец действуют механические силы давления;
- изгибу – деталь сгибают в различные стороны;
- кручению – проверяется пригодность для использования в качестве крутящегося вала;
- растяжению – подробный пример проверки мы привели выше.
Предел прочности на растяжение стали
Стальные конструкции давно заменили прочие материалы, так как они обладают отличными эксплуатационными характеристиками – долговечностью, надежностью и безопасностью. В зависимости от применяемой технологии, он подразделяется на марки. От самой обычной с ПП в 300 Мпа, до наиболее твердой с высоким содержанием углерода – 900 Мпа. Это зависит от двух показателей:
- Какие способы термообработки применялись – отжиг, закалка, криообработка.
- Какие примеси содержатся в составе. Одни считаются вредными, от них избавляются для чистоты сплава, а вторые добавляют для укрепления.
Предел текучести и временное сопротивление
Новый термин обозначается в технической литературе буквой Т. Показатель актуален исключительно для пластичных материалов и обозначает, как долго может деформироваться образец без увеличения на него внешней нагрузки.
Обычно после преодоления этого порога кристаллическая решетка сильно меняется, перестраивается. Результатом выступают пластические деформации. Они не являются нежелательными, напротив, происходит самоупрочнение металла.
Усталость стали
Второе название – предел выносливости. Его обозначают буквой R. Это аналогичный показатель, то есть он определяет, какая сила может воздействовать на элемент, но не в единичном случае, а в цикле. То есть на подопытный эталон циклично, раз за разом действуют определенные давления. Среднее количество повторений – 10 в седьмой степени. Именно столько раз металл должен без деформаций и потери своих характеристик выдержать воздействие.
Если проводить эмпирические испытания, то потребуется множество времени – нужно проверить все значения силы, прикладывая ее по множеству циклов. Поэтому обычно коэффициент рассчитывается математически.
Предел пропорциональности
Это показатель, определяющий длительность оказываемых нагрузок к деформации тела. При этом оба значения должны изменяться в разный степени по закону Гука. Простыми словами: чем больше оказывается сжатие (растяжение), тем сильнее деформируется образец.
Значение каждого материала находится между абсолютной и классической упругостью. То есть если изменения обратимы, после того как сила перестала действовать (форма стала прежняя – пример, сжатие пружины), то такие параметры нельзя называть пропорциональными.
Как определяют свойства металлов
Проверяют не только то, что называют пределом прочности, но и остальные характеристики стали, например, твердость. Испытания проводят следующим образом: в образец вдавливают шарик или конус из алмаза – наиболее прочной породы. Чем крепче материал, тем меньше след остается. Более глубокие, с широким диаметром отпечатки остаются на мягких сплавах. Еще один опыт – на удар. Воздействие оказывается только после заранее сделанного надреза на заготовке. То есть разрушение проверяется для наиболее уязвимого участка.
Механические свойства
Различают 5 характеристик:
- Предел прочности стали при растяжении и на разрыв это – временное сопротивление внешним силам, напряжение, возникающее внутри.
- Пластичность – это возможность деформироваться, менять форму, но сохранять внутреннюю структуру.
- Твердость – готовность встретиться с более твердым материалом и не получить значительных ущербов.
- Ударная вязкость – способность сопротивляться ударам.
- Усталость – длительность сохранения качеств под воздействием цикличных нагрузок.
Классы прочности и их обозначения
Все категории записаны в нормативных документах – ГОСТах, по ним все российские предприниматели изготавливают любой металлопрокат и прочие металлические изделия. Вот соответствие обозначения и параметра в таблице:
| Класс | Временное сопротивление, Н/мм2 |
| 265 | 430 |
| 295 | 430 |
| 315 | 450 |
| 325 | 450 |
| 345 | 490 |
| 355 | 490 |
| 375 | 510 |
| 390 | 510 |
| 440 | 590 |
Видим, что для некоторых классов остается одинаковыми показатели ПП, это объясняется тем, что при равных значениях у них может различаться текучесть или относительное удлинение. В зависимости от этого возможна различная максимальная толщина металлопроката.
Формула удельной прочности
R с индексом «у» – обозначение данного параметра в физике. Рассчитывается как ПП (в записи – R) поделенное на плотность – d. То есть этот расчет имеет практическую ценность и учитывает теоретические знания о свойствах стали для применения в жизни. Инженеры могут сказать, как меняется временное сопротивление в зависимости от массы, объема изделия. Логично, что чем тоньше лист, тем легче его деформировать.
Формула выглядит так:
Ry = R/d
Здесь будет логичным объяснить, в чем измеряется удельный предел прочности. В Н/мм2 – это вытекает из предложенного алгоритма вычисления.
Использование свойств металлов
Два важных показателя – пластичность и ПП – взаимосвязаны. Материалы с большим первым параметром намного медленнее разрушаются. Они хорошо меняют свою форму, подвергаются различным видам металлообработке, в том числе объемной штамповке – поэтому из листов делают элементы кузова автомобиля. При малой пластичности сплавы называют хрупкими. Они могут быть очень твердыми, но при этом плохо тянуться, изгибаться и деформироваться, например, титан.
Сопротивление
Есть два типа:
- Нормативное – прописано для каждого типа стали в ГОСТах.
- Расчетное – получается после вычислений в конкретном проекте.
Первый вариант скорее теоретический, для практических задач используется второй.
Пути увеличения прочностных характеристик
Есть несколько способов это сделать, два основных:
- добавка примесей;
- термообработка, например, закал.
Иногда они используются вместе.
Общие сведения о сталях
Все они обладают химическими свойствами и механическими. Ниже подробнее поговорим о способах увеличения прочности, но для начала представим схему, на которой представлены все разновидности:
Также посмотрим более подробное видео:
Все они обладают химическими свойствами и механическими. Ниже подробнее поговорим о способах увеличения прочности, но для начала представим схему, на которой представлены все разновидности:
Углерод
Чем больше углеродность вещества, тем выше твердость и меньше пластичность. Но в составе не должно быть более 1% химического компонента, так как большее количество приводит к обратному эффекту.
Марганец
Очень полезная добавка, но при массовой доле не более двух процентов. Обычно Mn добавляют для улучшения качеств обрабатываемости. Материал становится более подвержен ковке и свариванию. Это объясняется вытеснением кислорода и серы.
Кремний
Эффективно повышает прочностные характеристики, при этом не затрагивая пластичность. Максимальное содержание – 0,6%, иногда достаточно и 0,1%. Хорошо сочетается с другими примесями, в совокупности можно увеличить устойчивость к коррозии.
Азот и кислород
Если они попадают в сплав, но ухудшают его характеристики, при изготовлении от них пытаются избавиться.
Легирующие добавки
Также можно встретить следующие примеси:
- Хром – увеличивает твёрдость.
- Молибден – защищает от ржавчины.
- Ванадий – для упругости.
- Никель – хорошо влияет на прокаливаемость, но может привести к хрупкости.
Эти и другие химические вещества должны применяться в строгих пропорциях в соответствии с формулами. В статье мы рассказали про предел прочности (кратковременное сопротивление) – что это, и как с ним работать. Также дали несколько таблиц, которым можно пользоваться при работе. В качестве завершения, давайте посмотрим видеоролик:
Чтобы уточнить интересующую вас информацию, свяжитесь с нашими менеджерами по телефонам 8 (908) 135-59-82; (473) 239-65-79; 8 (800) 707-53-38. Они ответят на все ваши вопросы.
Источник