Металл работает лучше на сжатие или растяжение

14Ноя

• By: Семантика

• Без рубрики

• Comment: 0

Содержание статьи

1. Предел прочности
2. Как производится испытание на прочность
3. Виды ПП
4. Предел прочности на растяжение стали
5. Предел текучести и временное сопротивление
6. Усталость стали
7. Предел пропорциональности
8. Как определяют свойства металлов
9. Механические свойства
10. Классы прочности и их обозначения
11. Формула удельной прочности
12. Использование свойств металлов
13. 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:

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.

8.1. Работа стали на растяжение

Зависимость между напряжениями и деформациями для различных материалов устанавливается экспериментально.

, где s, МПа – нормальное напряжение; Е – модуль упругости; e – относительное удлинение образца после разрыва является показателем пластичности. Для малоуглеродистых сталей – e = 20¸25%; для высокопрочных сталей – e = 8¸10%.

При sт/sм=0,6 Ст3.

При sт/sм=0,8 высокопрочные стали

.

.

Характер деформаций стали под действием нагрузки определяется совместными деформациями ее составных частей (феррита и перлита). Перлит размещается между зернами феррита в виде слоев и отдельных включений. На начальных стадиях загрузки пластические деформации зерен феррита сдерживаются сопротивлением слоев перлита. При напряжениях, равных пределу текучести, сопротивление перлита преодолевается. Происходит общий сдвиг. На диаграмме появляется участок текучести.

У высокопрочных сталей сопротивление перлитовых включений, легирующих элементов и их соединений настолько велико, что участок текучести не проявляется. В этом случае отмечают условную границу текучести s02. Когда относительное удлинение достигает определенной величины (около 2,5%), материал перестает течь и становится снова способным сопротивляться. Диаграмма растяжения становится криволинейной. С увеличением нагрузки при пластических деформациях связь между частями кристаллов на плоскостях скольжения уменьшается. Согласно этому уменьшается и модуль деформации, диаграмма становится все более пологой, пока не будет достигнут предел прочности sм, при которой металл разрушается.

При пластических деформациях малоуглеродистых сталей на растянутых образцах заметно появление характерных линий, которые называются линиями текучести или линиями Чернова-Людерса, идущие под углом 45° к линии растягивающих усилий. Направление их совпадает с направлением максимальных касательных напряжений.

Разрушение бывает вязкое (пластичное) — от смещения; хрупкое — вследствие отрыва и смешанное.

Касательные напряжения и пластические деформации — причина вязкого разрушения. Хрупкое разрушение является следствием развития упругих деформаций металла до величины разрушающих в условиях, когда затруднены пластические сдвиги. В этом случае наблюдается разрыв межатомных связей кристаллической решетки зерен при очень незначительных сдвигах в отдельных зернах.

Работа стали на сжатие

При работе на сжатие металл ведет себя также, как и при растяжении. Значения предела текучести, модуля упругости и длины участка текучести равны показателям при растяжении. То есть, сталь хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие. Это очень важная особенность.

8.3. Нормативные и расчетные сопротивления

Основными показателями сопротивления металла силовым воздействиям являются нормативные сопротивления Ryn и Run, установленные в соответствии с пределом текучести (или условным пределом текучести) и пределом прочности.

Значение Ryn и Run регламентируются нормами проектирования. При этом учитывается статистическая изменчивость сопротивлений. Нужно, чтобы обеспеченность составляла не менее 0,95.

Значение нормативного сопротивления принимают в зависимости от характера работы конструкции и свойств стали.

В большинстве случаев при вычислениях пользуются нормативным сопротивлением по пределу текучести, т.к. при превышении напряжениями предела текучести в элементах, изгибающихся или растягивающихся, развиваются пластические деформации и наблюдаются большие перемещения. Сжатые элементы теряют устойчивость. В случаях, когда применяются пластичные сплавы и согласно характеру работы конструкции допускаются значительные деформации, нормативное сопротивление принимают по пределу прочности.

Расчетное сопротивление определяют путем деления нормативных сопротивлений на коэффициент надежности по материалу gm.

Этот коэффициент учитывает:

то, что механические свойства металлов проверяются на металлургических заводах путем выборочных испытаний и в конструкции может попасть металл со свойствами ниже, чем установлены стандартами;

механические свойства контролируют при осевом растяжении на небольших образцах, а в действительности металл работает в крупноразмерных конструкциях при сложных напряженных состояниях;

сортамент металлопроката может иметь отрицательные (минусовые) допуски к размерам.

Значение коэффициента надежности по материалу gm зависит от статистических данных об однородности металла. Для углеродистых сталей, которые массово выпускаются длительное время по хорошо отработанной технологии и для которых хорошо известно, как они ведут себя в конструкциях, значения gm наименьшие gm = 1,025. Ведь для новых сталей gm = 1,15. Значение нормативных Ryn, Run и расчетных Ry, Ru сопротивлений и коэффициентов надежности по материалу помещены в СНиП II-23-81*. Указанные сопротивления служат для оценки прочности элементов конструкций на действие растяжения, сжатия и изгиба.

Для других напряженных состояний: смещение (Rs), смятие торцевой поверхности (Rp), растяжение поперек толщины проката (Rth) — нормативные документы устанавливают другие значения сопротивлений.