Предел прочности материалов (разрыв металлов) при растяжении и сжатии

Предел прочности материалов (разрыв металлов) при растяжении и сжатии: что это такое, виды, фото

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.

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.

Смотреть что такое «разрывная сила» в других словарях:

• разрывная нагрузка, отнесенная к ширине — кН/м Максимальная сила, зафиксированная при испытании пробы определенной ширины, отнесенная к ширине материала.
• разрывная нагрузка — 3.1 разрывная нагрузка: Максимальное усилие, выдерживаемое штапельным волокном или элементарной нитью жгута при испытании на растяжение до разрыва.
• Разрывная нагрузка — наибольшее усилие, испытываемое волокном, пряжей или пробным образцом текстильного полотна к моменту разрыва; одна из характеристик механических свойств материала при растяжении до полного разрушения.
• КРЕПОСТЬ ТРОСА РАЗРЫВНАЯ — натяжение или сила, которая, будучи приложена к тросу, производит его разрыв.
• РАЗОРВАТЬ — РАЗОРВАТЬ, ву, вёшь; ал, ала, ало; орванный; совер. 1. кого (что). Резким движением, рывком разделить на части, нарушить цельность чего н. Р. письмо. Р. цепи рабства (перен.).
• ГОСТ Р 53226-2008: Полотна нетканые. Методы определения прочности — Терминология ГОСТ Р 53226 2008: Полотна нетканые. Методы определения прочности оригинал документа: 3.2 абсолютное удлинение, см; мм: Увеличение длины элементарной пробы во время испытания.
• ГОСТ Р 53636-2009: Целлюлоза, бумага, картон. Термины и определения — Терминология ГОСТ Р 53636 2009: Целлюлоза, бумага, картон. Т
• СТ ЦКБА 011-2004: Арматура трубопроводная. Термины и определения — Терминология СТ ЦКБА 011 2004: Арматура трубопроводная.

Предел прочности на растяжение — Ultimate tensile strength

Две тиски прикладывают растяжение к образцу, потянув за него, растягивая образец до тех пор, пока он не сломается. Максимальное напряжение, которое он выдерживает перед разрушением, является его пределом прочности на разрыв.

Предел прочности при растяжении ( UTS ), часто сокращаемый до предела прочности на разрыв ( TS ), предела прочности или в уравнениях, представляет собой максимальное напряжение, которое материал может выдержать при растяжении или растяжении перед разрушением. В хрупких материалах предел прочности на разрыв близок к пределу текучести , тогда как в пластичных материалах предел прочности может быть выше.

Предел прочности при растяжении обычно определяется путем проведения испытания на растяжение и регистрации зависимости инженерного напряжения от деформации . Наивысшая точка кривой напряжение-деформация — это предел прочности при растяжении и имеет единицы измерения напряжения. Эквивалентная точка для случая сжатия вместо растяжения называется прочностью на сжатие .

Предел прочности на растяжение редко используется при проектировании пластичных элементов, но он важен для хрупких элементов. Они сведены в таблицу для обычных материалов, таких как сплавы , композитные материалы , керамика , пластмассы и дерево.

Определение

Предел прочности материала при растяжении — это интенсивное свойство ; поэтому его значение не зависит от размера испытуемого образца. Однако, в зависимости от материала, это может зависеть от других факторов, таких как подготовка образца, наличие или отсутствие поверхностных дефектов, а также температура окружающей среды и материала для испытаний.

Некоторые материалы ломаются очень резко без пластической деформации , что называется хрупким разрушением. Другие, которые являются более пластичным, включая большинство металлов, испытывают некоторую пластическую деформацию и , возможно , сужения до того перелома.

Прочность на растяжение определяется как напряжение, которое измеряется как сила на единицу площади. Для некоторых неоднородных материалов (или для собранных компонентов) это может быть выражено как сила или как сила на единицу ширины. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения является паскаль (Па) (или кратное ему число, часто мегапаскали (МПа), с использованием приставки СИ мега ); или, что эквивалентно паскалям, ньютонам на квадратный метр (Н / м 2 ). Обычная единица измерения в США — фунты на квадратный дюйм (фунт / дюйм 2 или фунт / кв. Дюйм). Килофунды на квадратный дюйм (ksi, или иногда kpsi) равны 1000 psi и обычно используются в Соединенных Штатах при измерении прочности на разрыв.

Пластичные материалы

«Инженерная» кривая напряжения-деформации (σ — ε), типичная для алюминия

1. Предел прочности

2. Предел текучести

3. Пропорциональное предельное напряжение

4. Разрушение

5. Деформация смещения (обычно 0,2%)

Многие материалы могут демонстрировать линейное упругое поведение , определяемое линейной зависимостью напряжения от деформации , как показано на рисунке 1 до точки 3. Упругое поведение материалов часто распространяется в нелинейную область, представленную на рисунке 1 точкой 2 ( «предел текучести»), до которого деформации полностью восстанавливаются при снятии нагрузки; то есть образец, нагруженный упруго при растяжении , удлиняется, но при разгрузке возвращается к своей первоначальной форме и размеру. За пределами этой упругой области для пластичных материалов, таких как сталь, деформации пластичны . Пластически деформированный образец не возвращается полностью к своим первоначальным размерам и форме при разгрузке. Для многих приложений пластическая деформация неприемлема и используется в качестве конструктивного ограничения.

После предела текучести пластичные металлы проходят период деформационного упрочнения, при котором напряжение снова увеличивается с увеличением деформации, и они начинают сужаться , поскольку площадь поперечного сечения образца уменьшается из-за пластического течения. В достаточно пластичном материале, когда образование шейки становится значительным, это вызывает изменение инженерной кривой напряжения-деформации (кривая A, рисунок 2); это связано с тем, что инженерное напряжение рассчитывается исходя из исходной площади поперечного сечения до образования шейки. Точка разворота — это максимальное напряжение на инженерной кривой напряжение-деформация, а координата инженерного напряжения этой точки — это предел прочности на растяжение, определяемый точкой 1.

Предел прочности на растяжение не используется при проектировании пластичных статических элементов, поскольку методы проектирования диктуют использование предела текучести . Однако он используется для контроля качества из-за простоты тестирования. Он также используется для приблизительного определения типов материалов для неизвестных образцов.

Предел прочности на разрыв — это общий инженерный параметр для конструктивных элементов, изготовленных из хрупкого материала, поскольку такие материалы не имеют предела текучести .

Тестирование

Образец круглого прутка после испытания на растяжение

«Чашечная» сторона характерной картины разрушения «чашка — конус».

Некоторые части имеют форму «чашки», а некоторые — форму «конуса».

Как правило, испытание включает взятие небольшого образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание тензометром с постоянной скоростью (изменение измерительной длины, деленной на исходную измерительную длину) до тех пор, пока образец не разорвется.

При испытании некоторых металлов твердость при вдавливании линейно коррелирует с пределом прочности на разрыв. Это важное соотношение позволяет осуществлять экономически важный неразрушающий контроль поставок объемного металла с помощью легкого, даже портативного оборудования, такого как портативные твердомеры по Роквеллу . Эта практическая взаимосвязь помогает обеспечению качества в металлообрабатывающей промышленности выйти далеко за рамки лабораторных и универсальных испытательных машин .

Типичная прочность на разрыв

Типичная прочность на разрыв некоторых материалов

^ a Многие значения зависят от производственного процесса, чистоты или состава. ^ b Многослойные углеродные нанотрубки обладают наивысшей прочностью на разрыв из всех когда-либо измеренных материалов: одно измерение составляет 63 ГПа, что все еще значительно ниже теоретического значения 300 ГПа. Первые жгуты из нанотрубок (длиной 20 мм), предел прочности которых был опубликован (в 2000 г.), имели прочность 3,6 ГПа. Плотность зависит от способа изготовления, и наименьшее значение составляет 0,037 или 0,55 (сплошной). ^ c Прочность паучьего шелка сильно различается. Это зависит от многих факторов, включая вид шелка (каждый паук может производить несколько для разных целей), вид, возраст шелка, температура, влажность, скорость, с которой прикладывается напряжение во время тестирования, прикладываемое напряжение длины и способ изготовления шелка. собранные (принудительное шелушение или натуральное прядение). Значение, указанное в таблице, 1000 МПа, примерно соответствует результатам нескольких исследований с участием нескольких различных видов пауков, однако конкретные результаты сильно различались. ^ d Сила человеческого волоса зависит от этнической принадлежности и химического воздействия. Типичные свойства отожженных элементов