Сопротивления разрыву при растяжении
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
Сопротивление разрыву — это усилие, требуемое для разрыва полоски материала. До определенного предела материал демонстрирует упругие и эластичные свойства. В упругой области деформация (удлинение), вызванная приложенной силой (напряжением), пропорциональна этой силе. Эта зависимость известна как закон Гука и может быть выражена следующим образом:
Напряжение (приложенная сила) = Константа х Деформация (изменение размеров)
F=E∆x,
где F— разрушающее, усилие, Е — константа, ∆х — удлинение.
Константа Еизвестна как модуль упругости (модуль Юнга).
Бумага и картон демонстрируют упругие свойства до определенного предела (рис. 1.25). Это означает, что если действие силы прекращается, образец восстанавливает свою первоначальную форму, однако выше предела упругости эта зависимость больше не действует, так как материал постепенно деформируется, вплоть до его разрыва.
Технические требования основаны на методах испытаний с фиксированной шириной полоски материала и скоростью изменения нагрузки. При этом сопротивление разрыву регистрируется как сила на единицу ширины. Сопротивление разрыву в продольном направлении выше, чем в поперечном.
Рис. 1.25. Зависимость напряжения от деформации, демонстрирующая упругопластические свойства. Кривая «нагрузка-удлинение»
Прочность бумаги на разрыв может выражаться разрывной длиной — условной расчетной величиной, показывающей, при какой длине висящая полоска бумаги, закрепленная в одной точке, порвется за счет свой собственной массы.
Величина сопротивления разрыву в точке разрыва зависит от скорости изменения нагрузки. При равномерном повышении нагрузки испытания проводятся в режиме статического растяжения, а когда нагрузка прилагается резко в течение очень короткого времени — в режиме динамического растяжения.
Последняя характеристика, определяемая как поглощение энергии растяжения (ПЭР), важна для понимания свойств бумаги, связанных с поведением многослойного бумажного мешка в испытании на сбрасывание. Это испытание является мерой работы (произведение силы и расстояния), необходимой для разрыва образца, и служит характеристикой сопротивления разрыву и относительного удлинения в процентах.
Удлинение при растяжении (разрывное удлинение)
Разрывное удлинение — это максимальное удлинение полосы материала в испытании на разрыв, являющееся мерой эластичности. Выражается она в процентах как увеличение длины образца между зажимами по сравнению с первоначальной длиной. Удлинение в поперечном направлением больше, чем в продольном.
Сопротивление раздиранию
Сопротивление раздиранию (рис. 1.26) — это усилие, необходимое для увеличения разрыва в листе после сделанного в нем надреза. В большинстве случаев необходимо увеличивать сопротивление раздиранию, но в некоторых случаях требуется, что бы материал рвался чисто (например, у отрывных лент для облегчения открывания упаковки и получения доступа к содержимому).
Сопротивление продавливанию
Для испытания на сопротивление продавливанию образец бумаги или картона закрепляют над закрытым эластичной (резиновой) мембраной круглым отверстием и подвергают действию возрастающего давления до тех пор, пока образец не разрывается (рис. 1.27). Это испытание несложно, но в реальных условиях его связь с прочностью довольно сложна. Высокие значения сопротивления продавливанию свидетельствуют о жесткости материала. Как мы уже отмечали в разделе 1.2.6, на этапе подготовки бумажной массы в нее могут быть добавлены мочевино- и меламино-формальдегидные смолы, которые способствуют сохранению значительной доли прочности бумаги как в сухом виде, так и при намокании в ходе дальнейшего использования. Сопротивление продавливанию во влажном состоянии рассчитывается на основе сравнения значений сопротивления продавливанию под действием давления в сухом состоянии и после определенного увлажнения образца. Процентное отношение значений сопротивления продавливанию в мокром и сухом состоянии соответствует степени сохранения прочности в мокром состоянии.
Рис. 1.26. Принцип определения сопротивления раздиранию
Рис.1.27. Принцип определения сопротивления продавливанию
Жесткость
Для печати, сборки упаковки и ее использования большое значение имеет жесткость, которая определяется как сопротивление изгибу, вызываемому приложением внешней силы. Измеряют жесткость путем приложения силы Fк свободному концу материала определенного размера (длиной l), который с другой стороны зажат. Свободный конец при этом отклоняется на фиксированное расстояние или угол 8. Этот метод известен как двухточечный (рис. 1.28) и используется для измерения жесткости при изгибе (по Лоренцену и Вэттру, 5°, Lorentzen and Wettres), сопротивления изгибу (по Лоренцену и Вэттру, 15°) и
жесткости (по Таберу, 15°, Taber).
Рис. 1.28. Приложение нагрузки для измерения жесткости при изгибе двухточечным методом
Величина жесткости при изгибе в продольном направлении выше, чем в поперечном, что иногда выражают отношением жесткости в продольном и поперечном направлениях. Это различие является результатом различного ориентирования волокон вследствие применяемого метода производства бумаги и картона. Жесткость связана и с другими важными свойствами, в частности с поведением картонных коробок при испытаниях на сжатие, стойкость к перегибу, сгибаемость и общую ударопрочность. При измерении жесткости при изгибе важно учитывать, что она связана с модулем Юнга (Е) и толщиной материала (t) следующим образом:
Жесткость = Константа (зависящая от материала) × E × t3.
Для однородных материалов эта кубическая зависимость имеет место при условии, что не превышен предел упругости. Для бумаги и картона показатель степени несколько ниже 3,0, но все равно довольно значителен (для некоторых типов картона он составляет около 2,5-2,6). Таким образом, можно утверждать, что жесткость существенно зависит от толщины материала, что легко заметить при удвоении толщины — жесткость при этом возрастает в пять раз и более.
Сопротивление сжатию
При рассмотрении сжатия в контексте требований к упаковке мы обычно имеем в виду действие на упаковку (например, на картонные коробки, ящики и бочки) внешних нагрузок при хранении упакованных продуктов, их сбыте и использовании.
При этом необходимо учитывать влияние на сопротивление сжатию различных характеристик конструкции упаковки, разных видов бумаги и картона, их толщины, а также атмосферных условий. Учитывают и различие между статической нагрузкой, прилагаемой в течение длительного времени (при нахождении упакованного груза на складе), и динамической нагрузкой, связанной со значительными усилиями, прилагаемыми в течение короткого времени (в частности, при падениях и ударах в ходе транспортировки). Испытания на сопротивление сжатию проводят при различных нагрузках.
Исследования показали, что к свойствам бумаги и картона, влияющим на их поведение при испытаниях коробок на сжатие, относятся жесткость и свойство, известное как сопротивление сжатию, определяемое по методу SCT (Short-span Compression Test) —
сопротивление торцевому сжатию образца (база образца 0,7 мм).
При сжатии образца бумаги или картона за счет приложения силы к противоположным кромкам в плоскости образца, материал изгибается, и это не может служить мерой сопротивления сжатию (рис. 1.29). Если же высота образца в направлении приложения силы меньше средней длины волокна (например, она уменьшена до 0,7 мм), сила прикладывается к сети волокон таким образом, что сжимается сама сеть, вызывая взаимное смещение волокон. В этой ситуации межволоконная связь, тип и количество волокон целлюлозы становятся важным для результата испытаний по методу SCT. Именно эта присущая данному листу характеристика в направлении измерения (продольном или поперечном) влияет на поведение коробок при испытаниях на сжатие наряду с жесткостью.
Рис. 1.29. Испытание на сопротивление сжатию. Обратите внимание на различие длины образца по сравнению с испытанием на разрыв
Стойкость к перегибу и сгибаемость
При изготовлении пакетов различной конструкции, саше, картонных коробок и ящиков из гофрированного и коробочного картона бумагу и картон часто складывают. Более тонкие материалы складывают механически на 180°, и полученные складки прокатывают (фальцуют) для придания стойкости. Более толстые материалы для изготовления складных и жестких картонных коробок требуют, чтобы в материале для легкого сгибания присутствовала линия рилевки (биговки), служащая своеобразным шарниром (осью), позволяющим перегибать картонную заготовку на 180°. Нанесение рилевки на картонные заготовки производится рилевочными муфтами с канавками разного профиля.
В процессе рилевания на верхней поверхности заготовки картонной коробки образуются канавки (биги), а на обратной стороне — выпуклости. При складывании коробки материал подвергается нескольким видам нагрузок (см. рис. 10.29 в главе 10).
Верхние слои картона на наружной стороне получаемой складки расширяются и должны обладать соответствующей прочностью на разрыв и растяжение. Внутренние слои сжимаются, вызывая местное расслаивание (см. рис. 10.30-10.32). Расслаивание обратной стороны при продолжении процесса складывания до заданного угла приводит к образованию валика (утолщения) и ведет себя подобно петле (рис. 1.30). Важно, чтобы это утолщение не разрывалось и не деформировалось, в связи с чем слой картона на обратной стороне также должен обладать большой прочностью.
Рис. 1.30. Формирование рилевочной линии (бига)
Помимо высоких прочностных свойств материала очень важна геометрия и ширина рилевочной (биговальной) линии, ширина и глубина канавки рилевочной муфты, а также глубина проникновения рилевочной линейки в материал. Помимо визуальной проверки бигов и фальцев, измеряют также сопротивление складыванию и сопротивление собранной коробки сжатию, которые можно регулировать путем изменения геометрии рилевки.
Функциональные свойства рилевочных линий складываемых и склеиваемых картонных коробок зависят от продолжительности и условий хранения заготовок с клееным боковым швом перед подачей в упаковочную машину. Эта характеристика может быть измерена как «усилие открывания картонной коробки». Условия такого промежуточного хранения (влажность, температура, плотность упаковывания и условия штабелирования) — очень важные факторы, влияющие на эффективность упаковочных операций.
Источник