Предел текучести и напряжение растяжения
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
Зависимость между напряжением текучести и пределом прочности
Связь между напряжением текучести и пределом прочности устанавливается по зависимости между экстраполированным пределом текучести и σB. Поскольку по экстраполированному пределу текучести можно достаточно точно определить напряжение текучести для большинства материалов, начиная со степени деформации , то такое допущение можно считать оправданным.
Ниже рассмотрены зависимости между пределом прочности и экстраполированным пределом текучести кривых упрочнения при растяжении первого рода и при сжатии второго рода.
Экстраполированный предел текучести у кривых упрочнения первого рода при растяжении находится по пересечению касательной к кривой упрочнения в точке начала образования шейки с осью ординат. У кривых упрочнения второго рода при сжатии экстраполированный предел текучести S0 (см. рис. 1) представляет собой напряжение, соответствующее по величине отрезку ординаты, отсекаемому прямой, являющейся продолжением участка III кривой упрочнения.
Согласно теоретическим выкладкам М. П. Марковца для материалов, у которых равномерное относительное поперечное сужение ΨB не более 0,15, разница между экстраполированным пределом текучести определенным по кривым упрочнения при растяжении, и пределом прочности σB не превышает 3%, а при ΨB до 0,2 — не более 7%. При этом всегда должно быть меньше величины σB.
Теоретически установленную зависимость между и σB М.П. Марковец подтвердил экспериментально. Было показано, что независимо от рода материала (цветные и черные металлы), вида предшествующей термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, закалка + отпуск) и прочности ( изучаемых материалов составлял 20-180 кГ/мм2) отношение 
для материалов с до 15% близко к единице (рис. 1). Только для латуни и аустенитной стали ЭИ69, у которых величина ΨB доходит до 30%, это соотношение составляет 1,2-1,3.
П. Марковцем также была проведена большая работа по сопоставлению и σB по экспериментальным данным других исследователей — Н. Н. Давиденкова, Кербера и Роланда. Было установлено, что данные различных авторов, полученные экспериментально в разных лабораториях над огромным количеством металлов н сплавов (алюминии, меди и их сплавах, углеродистых и легированных сталях) при комнатных и повышенных температурах (от 20 до 300°С), подтверждают теоретически установленную закономерность 
для металлов и сплавов, у которых ΨB не превышает 15%.
Экспериментально определим взаимосвязь между экстраполированным пределом текучести при сжатии S0 и σB. В качестве исследуемого материала служили углеродистые и легированные горячекатаные и термически обработанные стали (табл. 1). Кривые упрочнения строили по результатам осадки образцов с торцовыми цилиндрическими выточками. Результаты сравнения графически изображены на рис. 1, из которого видно, что между величинами S0 и σB независимо от марки изделия и вида, и режима предварительной обработки имеется линейная зависимость. Математическая обработка экспериментальных данных показывает, что S0 в среднем меньше σB примерно на 6%, т. е.
Полученные экспериментальные данные согласуются с экспериментальными и теоретическими данными М. П. Марковца о зависимости между экстраполированным пределом текучести при растяжении и σB в том смысле, что S0 меньше σB примерно на ту же величину.
Таблица 1
Химический состав и вид предшествующей обработки сталей, для которых устанавливали зависимость между экстраполированным пределом текучести при сжатии S0 и пределом прочности σB
| Сталь | Предшествующая обработка | Содержание элементов в % | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | ||
| 10 | Горячая прокатка | 0,11 | 0,45 | 0,21 | — | — | — |
| 15 | То же | 0,15 | 0,43 | 0,27 | — | — | — |
| 20 | » | 0,19 | 0,37 | 0,37 | — | — | — |
| 15Х | » | 0,13 | 0,42 | 0,32 | 0,90 | — | — |
| 20Х | » | 0,24 | 0,67 | 0,25 | 0,91 | — | — |
| 45Х | » | 0,44 | 0,61 | 0,19 | 0,90 | — | — |
12ХНЗА | » | 0,13 | 0,26 | 0,64 | 2,95 | — | |
12ХНЗА | Отжиг, нормализация | 0,16 | 0,40 | 0,36 | 0,66 | 2,81 | — |
40ХНМА | Отжиг, нормализация, улучшение (t0 mn=600°С) | 0,37 | 0,60 | 0,24 | 0,66 | 1,39 | 0,15-0,25 |
Зависимость между напряжением текучести и твердостью
На основании обработки экспериментальных данных установлены закономерности взаимосвязи:
- а) между S0 и твердостью исходного металла НВ;
- б) между S и твердостью сформированных образцов НВ’.
Напряжение текучести и экстраполированный предел текучести определяем по кривым упрочнения при сжатии, построенным по результатам осадки образцов с торцовыми цилиндрическими выточками. Твердость определяем обычным методом на твердомере типа ИТР с замером ее на торцах и по образующей.
Для определения зависимости между величинами S и НВ’ испытанию подвергали армко-железо, углеродистые и легированные стали, предварительно горячекатаные или термически обработанные (отжиг,
нормализация или улучшение). Вид предшествующей обработки и химический состав сталей, используемых при этих исследованиях, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав и вид предшествующей обработки материала, исследуемого для установления зависимости между S и НВ’
| Материал | Предшествующая обработка | Содержание элементов в % | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | Si | Cr | Ni | ||
Армко-железо | Горячая прокатка | 0,057 | 0,10 | 0,17 | — | — |
Сталь 30 | Нормализация | 0,29 | 0,61 | 0,30 | — | — |
» 40 | Нормализация, улучшение | 0,41 | 0,59 | 0,30 | — | — |
» 50 | Горячая прокатка | 0,50 | 0,70 | 0,27 | — | — |
12ХНЗА | » » | 0,13 | — | 0,26 | 0,64 | 2,95 |
| 12ХНЗА | Отжиг, нормализация | 0,11 | 0,42 | 0,23 | 0,64 | 2,79 |
Результаты экспериментальных данных приведены на рис. 3, из которого видно, что для всех исследуемых материалов независимо от вида предшествующей обработки и всего диапазона степеней деформации между напряжением текучести и соответствующей твердостью сформированных образцов имеется линейная зависимость. При обработке опытных данных установлено, что эта зависимость может быть представлена в следующем виде:
Влияние исходной твердости на величину экстраполированного предела текучести при сжатии изучали на примере углеродистых и легированных термически обработанных (отжиг, нормализация, улучшение) и горячекатаных сталей (табл. 3). Экспериментальные данные графически изображены на рис. 4.
Таблица 3
Химический состав и вид предшествующей обработки материала, исследуемого для определения зависимости между экстраполированным пределом текучести при сжатии S0 и исходной твердостью НВ
| Материал | Предшествующая обработка | Содержание элементов в % | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | ||
Сталь 40 | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=500, 600°С) | 0,41 | 0,59 | 0,30 | — | — | — |
Сталь 45 | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=700, 600, 540°С) | 0,43 | 0,58 | 0,30 | — | — | — |
Сталь 50 | Горячая прокатка | 0,50 | 0,70 | 0,27 | — | — | — |
15Х | Горячая прокатка | 0,13 | 0,42 | 0,32 | 0,90 | — | — |
20Х | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=600, 500, 400°С) | 0,19 | 0,59 | 0,30 | 0,88 | — | — |
40Х | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=500, 600°С) | 0,38 | 0,62 | 0,32 | 1,03 | — | — |
12ХНЗА | Улучшение (tотп=600°С) | 0,16 | 0,40 | 0,36 | 0,66 | 2,81 | — |
30ХГСА | Отжиг, улучшение (tотп=550°С) | 0,34 | 0,98 | 1,13 | 1,08 | — | — |
40ХНМА | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=600°С) | 0,37 | 0,60 | 0,24 | 0,66 | 1,39 | 0,25 |
На основании экспериментальных данных установлено, что с увеличением твердости исходных образцов экстраполированный предел текучести возрастает по следующей зависимости:
Следует учесть, что в реальных металлических телах твердость в разных точках тела может отличаться на несколько единиц, а точность измерения составляет 3% при испытании на твердомере Бринелля, поэтому зависимости (2) и (3) носят несколько приближенный характер.
Источник
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 сентября 2019;
проверки требуют 8 правок.
Преде́л про́чности — механическое напряжение , выше которого происходит разрушение материала. Иначе говоря, это пороговая величина, превышая которую механическое напряжение разрушит некое тело из конкретного материала. Следует различать статический и динамический пределы прочности. Также различают пределы прочности на сжатие и растяжение.
Величины предела прочности[править | править код]
Статический предел прочности[править | править код]
Статический предел прочности, также часто называемый просто пределом прочности есть пороговая величина постоянного механического напряжения, превышая который постоянное механическое напряжение разрушит некое тело из конкретного материала. Согласно ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение», более корректным термином является временное сопротивление разрушению — напряжение, соответствующее наибольшему усилию, предшествующему разрыву образца при (статических) механических испытаниях. Термин происходит от представления, по которому материал может бесконечно долго выдержать любую статическую нагрузку, если она создаёт напряжения, меньшие статического предела прочности, то есть не превышающие временное сопротивление. При нагрузке, соответствующей временному сопротивлению (или даже превышающей её — в реальных и квазистатических испытаниях), материал разрушится (произойдет дробление испытываемого образца на несколько частей) спустя какой-то конечный промежуток времени (возможно, что и практически сразу, — то есть не дольше чем за 10 с).
Динамический предел прочности[править | править код]
Динамический предел прочности есть пороговая величина переменного механического напряжения (например при ударном воздействии), превышая которую переменное механическое напряжение разрушит тело из конкретного материала. В случае динамического воздействия на это тело время его нагружения часто не превышает нескольких секунд от начала нагружения до момента разрушения. В такой ситуации соответствующая характеристика называется также условно-мгновенным пределом прочности, или хрупко-кратковременным пределом прочности.
Предел прочности на сжатие[править | править код]
Предел прочности на сжатие есть пороговая величина постоянного (для статического предела прочности) или, соответственно, переменного (для динамического предела прочности) механического напряжения, превышая который механическое напряжение в результате (за конечный достаточно короткий промежуток времени) сожмет тело из конкретного материала — тело разрушится или неприемлемо деформируется.
Предел прочности на растяжение[править | править код]
Предел прочности на растяжение есть пороговая величина постоянного (для статического предела прочности) или, соответственно, переменного (для динамического предела прочности) механического напряжения, превышая который механическое напряжение в результате (за конечный достаточно короткий промежуток времени) разорвет тело из конкретного материала. (На практике, для детали какой либо конструкции достаточно и неприемлемого истончения детали.)
Другие прочностные параметры[править | править код]
Мерами прочности также могут быть предел текучести, предел пропорциональности, предел упругости, предел выносливости, предел прочности на сдвиг и др. так как для выхода конкретной детали из строя (приведения детали в негодное к использованию состояние) часто достаточно и чрезмерно большого изменения размеров детали. При этом деталь может и не разрушиться, а лишь только деформироваться. Эти показатели практически никогда не подразумеваются под термином «предел прочности».
Прочностные особенности некоторых материалов[править | править код]
Значения предельных напряжений (пределов прочности) на растяжение и на сжатие у многих материалов обычно различаются.
У композитов предел прочности на растяжение обычно больше предела прочности на сжатие. Для керамики (и других хрупких материалов) — наоборот, характерно многократное превышение пределом прочности на сжатие предела прочности на растяжение. Для металлов, металлических сплавов, многих пластиков, как правило, характерно равенство предела прочности на сжатие и предела прочности на растяжение. В большей степени это связано не с физикой материалов, а с особенностями нагружения, схемами напряженного состояния при испытаниях и с возможностью пластической деформации перед разрушением.
Прочность твёрдых тел обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами, составляющими тело. При увеличении расстояния между атомами они начинают притягиваться, причем на критическом расстоянии сила притяжения по абсолютной величине максимальна. Напряжение, отвечающее этой силе, называется теоретической прочностью на растяжение и составляет σтеор ≈ 0,1E, где E — модуль Юнга . Однако на практике наблюдается разрушение материалов значительно раньше, это объясняется неоднородностями структуры тела, из-за которых нагрузка распределяется неравномерно.
Некоторые значения прочности на растяжение в МПа (1 кгс/мм² = 100 кгс/см² ≈ 10 МН/м² = 10 МПа) (1 МПа = 1 Н/мм² ≈ 10 кгс/см²)[1]:
| Материалы | , МПа | |
|---|---|---|
| Бор | 5700 | 0,083 |
| Графит (нитевидный кристалл) | 2401 | 0,024 |
| Сталь 60С2А рессорно-пружинная | 1570 (после термообработки) | 0,0074 |
| Сапфир (нитевидный кристалл) | 1500 | 0,028 |
| Железо (нитевидный кристалл) | 1300 | 0,044 |
| Тянутая проволока из высокоуглеродистой стали | 420 | 0,02 |
| Тянутая проволока из вольфрама | 380 | 0,009 |
| Стекловолокно | 360 | 0,035 |
| Сталь Ст0 обыкновенного качества | 300 | 0,0017 |
| Нейлон | 50 | 0,0025 |
См. также[править | править код]
- Теоретический предел прочности
Примечания[править | править код]
- ↑ Диапазон пределов прочности для стали составляет 500—3000 МПа (Б. Н. Арзамасов, В. А. Брострем, Н. А. Буше и др. Конструкционные материалы. Справочник. — М.: Машиностроение, 1990. — 688 с.).
Источник