Предел текучести и предел растяжение
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
Определённая пороговая величина для конкретного материала, превышение которой приведёт к разрушению объекта под действием механического напряжения. Основные виды пределов прочности: статический, динамический, на сжатие и на растяжение. Например, предел прочности на растяжение — это граничное значение постоянного (статический предел) или переменного (динамический предел) механического напряжения, превышение которого разорвет (или неприемлемо деформирует) изделие. Единица измерения — Паскаль [Па], Н/мм
² = [МПа].
Предел текучести (σт)
Величина механического напряжения, при которой деформация продолжает увеличиваться без увеличения нагрузки; служит для расчётов допустимых напряжений пластичных материалов.
После перехода предела текучести в структуре металла наблюдаются необратимые изменения: кристаллическая решетка перестраивается, появляются значительные пластические деформации. Вместе с тем происходит самоупрочнение металла и после площадки текучести деформация возрастает при увеличении растягивающей силы.
Нередко этот параметр определяют как «напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация»
[1], таким образом, отождествляя пределы текучести и упругости. Однако следует понимать, что это два разных параметра. Значения предела текучести превышают предел упругости ориентировочно на 5%.
Предел выносливости или предел усталости (σR)
Способность материала воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения. Этот прочностной параметр определяют как максимальное напряжение в цикле, при котором не происходит усталостного разрушения изделия после неопределенно большого количества циклических нагружений (базовое число циклов для стали Nb = 10
7). Коэффициент R (σR) принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Поэтому предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как σ-1, а в случае пульсационных — как σ0.
Отметим, что усталостные испытания изделий очень продолжительны и трудоёмки, они включают анализ больших объёмов экспериментальных данных при произвольном количестве циклов и существенном разбросе значений. Поэтому чаще всего используют специальные эмпирические формулы, связывающие предел выносливости с другими прочностными параметрами материала. Наиболее удобным параметром при этом считается предел прочности.
Для сталей предел выносливости при изгибе как правило составляет половину от предела прочности:
Для высокопрочных сталей можно принять:
Для обычных сталей при кручении в условиях циклически изменяющихся напряжений можно принять:
Приведённые выше соотношения стоит применять осмотрительно, потому что они получены при конкретных режимах нагружения, т.е. при изгибе и при кручении. Однако, при испытании на растяжение-сжатие предел выносливости становится примерно на 10—20% меньше, чем при изгибе.
Предел пропорциональности (σ)
Максимальная величина напряжения для конкретного материала, при которой ещё действует закон Гука, т.е. деформация тела прямо пропорционально зависит от прикладываемой нагрузки (силы). Обратите внимание, что для множества материалов достижение (но не превышение!) предела упругости приводит к обратимым (упругим) деформациям, которые, впрочем, уже не прямо пропорциональны напряжениям. При этом такие деформации могут несколько «запаздывать» относительно роста или снижения нагрузки.
Диаграмма деформации металлического образца при растяжении в координатах удлинение (Є) — напряжение (σ).
1:Предел абсолютной упругости.
2:Предел пропорциональности.
3:Предел упругости.
4:Предел текучести. (σ
0.2)
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