Предел прочности

Содержание:

Текучесть металла

Знание механических свойств материала чрезвычайно важно для конструктора, который использует их в своей работе. Он определяет максимальную нагрузку на ту или иную деталь или конструкцию в целом, при превышении которой начнется пластическая деформация, и конструкция потеряет с вою прочность, форму и может быть разрушена

Разрушение или серьезная деформация строительных конструкций или элементов транспортных систем может привести к масштабным разрушениям, материальным потерям и даже к человеческим жертвам.

Предел текучести — это максимальная нагрузка, которую можно приложить к конструкции без ее деформации и последующего разрушения. Чем выше его значения, тем большие нагрузки конструкция сможет выдержать.

Текучесть металла

На практике предел текучести металла определяет работоспособность самого материала и изделий, изготовленных из него, под предельными нагрузками. Люди всегда прогнозировали предельные нагрузки, которые могут выдержать возводимые ими строения или создаваемые механизмы. На ранних этапах развития индустрии это определялось опытным путем, и лишь в XIX веке было положено начало созданию теории сопротивления материалов. Вопрос надежности решался созданием многократного запаса по прочности, что вело к утяжелению и удорожанию конструкций. Сегодня необязательно создавать макет изделия определенного масштаба или в натуральную величину и проводить на нем опыты по разрушению под нагрузкой — компьютерные программы семейства CAE (инженерных расчетов) могут с точностью рассчитать прочностные параметры готового изделия и предсказать предельные значения нагрузок.

Механические свойства материалов

Основными механическими свойствами материалов при их деформации являются прочность, пластичность, хрупкость, упругость и твердость.

Прочность — способность материала сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь и без появления остаточных деформаций.

Пластичность – свойство материала выдерживать без разрушения большие остаточные деформации. Неисчезающие после снятия внешних нагрузок деформации называются пластическими.

Хрупкость – свойство материала разрушаться при очень малых остаточных деформациях (например, чугун, бетон, стекло).

Идеальная упругость – свойство материала (тела) полностью восстанавливать свою форму и размеры после устранения причин, вызвавших деформацию.

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него других тел.

Рассмотрим диаграмму растяжения стержня из малоуглеродистой стали. Пусть круглый стержень длинной l0 и начальным постоянным поперечным сечением площади A0 статически растягивается с обоих торцов силой F.

Диаграмма сжатия стержня имеет вид (рис. 10, а)

где Δl = l — l0 абсолютное удлинение стержня; ε = Δl / l0 — относительное продольное удлинение стержня; σ = F / A0 — нормальное напряжение; E — модуль Юнга; σп — предел пропорциональности; σуп — предел упругости; σт — предел текучести; σв — предел прочности (временное сопротивление); εост — остаточная деформация после снятия внешних нагрузок. Для материалов, не имеющих ярко выраженную площадку текучести, вводят условный предел текучести σ0,2 — напряжение, при котором достигается 0,2% остаточной деформации. При достижении предела прочности в центре стержня возникает локальное утончение его диаметра («шейка»). Дальнейшее абсолютное удлинение стержня идет в зоне шейки ( зона местной текучести). При достижении напряжением предела текучести σт глянцевая поверхность стержня становится немного матовой – на его поверхности появляются микротрещины (линии Людерса-Чернова), направленные под углом 45° к оси стержня.

Расчет величины предела текучести

Гениальное допущение, сделанное Френкелем при расчетах, заключалось в том, что процесс изменения формы материала рассматривался как приводимый в действие напряжениями сдвига. Для начала пластической деформации полагалось достаточным, чтобы одна половина тела сдвинулась относительно другой до такой степени, чтобы не смогла вернуться в начальное положение под действием сил упругости.

График физического предела текучести

Френкель предположил, что испытываемый в мысленном эксперименте материал имеет кристаллическое или поликристаллическое строение, свойственно для большей части металлов, керамики и многих полимеров. Такое строение предполагает наличие пространственной решетки, в узлах которой в строго определенном порядке расположены атомы. Конфигурация этой решетки строго индивидуальны для каждого вещества, индивидуальны и межатомные расстояния и связывающие эти атомы силы. Таким образом, чтобы вызвать пластическую деформацию сдвига, потребуется разорвать все межатомные связи, проходящие через условную плоскость, разделяющую половины тела.

При некотором значении напряжения, равному пределу текучести, связи между атомами из разных половин тела разорвутся, и рады атомов сместятся друг относительно друга на одно межатомное расстояние без возможности вернуться в исходное положение. При продолжении воздействия такой микросдвиг будет продолжаться, пока все атомы одной половины тела не потеряют контакт с атомами другой половины

В макромире это вызовет пластическую деформацию, изменит форму тела и при продолжении воздействия приведет к его разрушению. На практике линия начала разрушений проходит не посередине физического тела, а находится в местах расположения неоднородностей материала.

Напряжения при растяжении-сжатии

Определенная методом сечений продольная сила N, является равнодействующей внутренних усилий распределенных по поперечному сечению стержня (рис. 2, б). Исходя из определения напряжений, согласно выражению (1), можно записать для продольной силы:

где σ — нормальное напряжение в произвольной точке поперечного сечения стержня. Чтобы определить нормальные напряжения в любой точке бруса необходимо знать закон их распределения по поперечному сечению бруса. Экспериментальные исследования показывают: если нанести на поверхность стержня ряд взаимно перпендикулярных линий, то после приложения внешней растягивающей нагрузки поперечные линии не искривляются и остаются параллельными друг другу (рис.6, а). Об этом явлении говорит гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли): сечения, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации.

Так как все продольные волокна стержня деформируются одинаково, то и напряжения в поперечном сечении одинаковы, а эпюра напряжений σ по высоте поперечного сечения стержня выглядит, как показано на рис.6, б. Видно, что напряжения равномерно распределены по поперечному сечению стержня, т.е. во всех точках сечения σ = const. Выражение для определения величины напряжения имеет вид:

Таким образом, нормальные напряжения, возникающие в поперечных сечениях растянутого или сжатого бруса, равны отношению продольной силы к площади его поперечного сечения. Нормальные напряжения принято считать положительными при растяжении и отрицательными при сжатии.

Испытание образца для определения предела текучести

Чтобы провести стандартные испытания, используют цилиндрический образец диаметром 20 мм и высотой 10 мм, закрепляют его в испытательной установке и подвергают растягиванию. Расстояние между нанесенными на боковой поверхности образца метками называют расчетной длиной. В ходе измерений фиксируют зависимость относительного удлинения образца от величины растягивающего усилия.

Зависимость отображают в виде диаграммы условного растяжения. На первом этапе эксперимента рост силы вызывает пропорциональное увеличение длины образца. По достижении предела пропорциональности диаграмма из линейной превращается в криволинейную, теряется линейная зависимость между силой и удлинением. На этом участке диаграммы образец при снятии усилия еще может вернуться к исходным форме и габаритам.

Для большинства материалов значения предела пропорциональности и предела текучести настолько близки, что в практических применениях разницу между ними не учитывают.

Какие факторы изменяют предел текучести

Сталь – это сплав железа с углеродом, количество которого определяет свойства металла. Углерод придает сплавам твердость и прочность. Текучесть металла увеличивается, если количество углеродной добавки составляет порядка 1,2%. Такое соотношение позволяет улучшить прочностные характеристики и повысить устойчивость к высоким температурам. Увеличение содержания углерода приводит к ухудшению технических параметров металла.

Влияние добавок марганца и кремния

Марганец не оказывает влияния на технические свойства сплава. Его добавляют в целях увеличения степени раскисления металла и уменьшения вредного воздействия серы. Обычно его содержание не превышает 0,8%.

Добавка кремния позволяет улучшить качество сварки. Его добавляют в процессе раскисления. А общее содержание данного элемента не превышает 0,38%.

Влияние углерода на механические свойства стали

Влияние добавок серы и фосфора

Количество серы, добавляемой в сплав, оказывает влияние на его механические показатели. Увеличенное содержание серы значительно снижает пластичность, вязкость и текучесть металла. Наибольшему истиранию подвержены изделия, содержащие более 0,6% серы.

Добавление фосфора позволяет улучшить показатели текучести. Однако данный элемент способствует снижению пластичности, вязкости и общих характеристик металла. Допустимым количеством фосфора считается не более 0,025-0,044%.

Как влияют сера и фосфор на свойства стали

Влияние добавок азота и кислорода

Азот и кислород относятся к неметаллическим примесям, поэтому их содержание должно быть минимальным. Если металл содержит более 0,03% кислорода, его эксплуатационные характеристики ухудшаются. Снижение пластичности и вязкости приводит к быстрому износу изделий.

Добавление азота способствует увеличению прочности стали. Но вместе с ней происходит уменьшение предела текучести материала. Если количество азота превышает допустимые значения, металлические конструкции быстро стареют за счет повышенной ломкости.

Микроструктура сплава, в составе которого присутствуют азот и кислород

Влияние легирующих добавок

К легирующим добавкам относятся химические элементы, добавляемые в сплав для придания определенных свойств. К числу легирующих элементов относятся:

Влияние легирующих элементов на свойства стали

  • хром;
  • титан;
  • вольфрам;
  • никель;
  • ванадий;
  • молибден.

Для получения оптимальных результатов их добавляют все вместе, соблюдая определенные пропорции.

Предел прочности металла

Предел прочности меди. При комнатной температуре предел прочности отожжённой технической меди σВ=23 кгс/мм 2 . С ростом температуры испытания предел прочности меди уменьшается. Легирующие элементы и примеси различным образом влияют на предел прочности меди, как увеличивая, так и уменьшая его.

Предел прочности алюминия. Отожжённый алюминий технической чистоты при комнатной температуре имеет предел прочности σВ=8 кгс/мм 2 . С повышением чистоты прочность алюминия уменьшается, а пластичность увеличивается. Например, литой в землю алюминий чистотой 99,996% имеет предел прочности 5 кгс/мм 2 . Предел прочности алюминия уменьшается естественным образом при повышении температуры испытания. При понижении температуры от +27 до -269°C временное сопротивление алюминия повышается – в 4 раза у технического алюминия и в 7 раз у высокочистого алюминия. Легирование повышает прочность алюминия.

Классификация и применение бетонов

Деление бетона на виды достаточно условное. Как правило, легкими считают бетоны марок М10-М200, обычными М250-М400, тяжелыми М450 и выше.

На делится не только по прочности, но и по морозостойкости, плотности. Существуют и особые бетоны, используемые для конкретных задач и сфер.

Наиболее распространенные марки бетона и его применение:

М100 – обычно выбирают для подбетонки, различных подготовительных работ, когда важно просто сцепить между собой зерна гравийно-песчаной подушки.

М150 – состав более крепкий, из него делают отмостки, тротуары, цементные стяжки, ЖБИ малого размера.

М200 – популярная марка для произведения работ в частном строительстве, подходит для небольших фундаментов, ненагруженных стен в малоэтажном строительстве.

М250 – актуален для создания лестничных маршей, опорных/несущих конструкций.

М300 – самый популярный бетон в строительстве, используется в любых работах (от создания основания для тяжелых домов до заливки монолитных перекрытий, стен).

М350 – прочный бетон, который подходит для создания конструкций с повышенными нагрузками (балки, колонны и т.д.).

М400 и выше марки применяются для создания особых конструкций специальных объектов – гидротехнические сооружения, военные объекты и т.д.


Виды бетона по плотности:

  1. Легкий (облегченный) – производится с включением в состав пористых заполнителей (туф, пемза, керамзит): крупнопористый, , газо/пенобетон и т.д. Плотность до 1200 кг/м3, используются в малоэтажном строительстве, актуальных для утепления, отличаются сравнительно невысокой прочностью.
  2. – производится с введением в состав горных пород (диабаз, гранит, известняк), плотность равна 1800-2500 кг/м3. Применяется для железобетонных, бетонных конструкций гражданских, промышленных зданий, для создания транспортных и гидротехнических объектов в том числе.
  3. Особо тяжелый бетон – готовится с использованием железной руды, опилок, стружки. Актуальна смесь для строительства специальных объектов, способных противостоять радиоактивному излучению, плотность выше 2500 кг/м3.

Виды бетона по классу морозостойкости:

  • F15 – подходит для внутренних работ (создание перегородок, заливка пола и т.д.)
  • F25 – самое малое значение для кладки внешних стен отапливаемых зданий.
  • F50 и более – подходит для фундамента в регионах со средним морозом.

Водостойкость бетона обозначается буквой W, может варьироваться в пределах W2-W20, говорит о максимальном давлении водяного столба, которое способен выдержать бетон, единицы измерения атм•10-1.

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.

Величины предела прочности

Статический предел прочности

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

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

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

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.)

Это интересно: Полимерные материалы:применение, свойства, виды: распишем главное

Удлинение (при разрыве)

Часто называется «относительным удлинением». Увеличение расстояния между двумя метками на испытательном образце, которое возникает в результате деформирования образца при растяжении до разрыва между этими метками.

Величина удлинения зависит от размеров поперечного сечения образца. Например, величина удлинения, которая получена при испытании алюминиевого листового образца будет ниже для тонкого листа, чем для толстого листа. Тоже самое относится и к прессованным алюминиевым профилям.


Рисунок 5 – Влияние легирующих элементов на прочностные свойства и относительное удлинение

Удлинение А

Удлинение в процентах после разрыва образца при исходном расстоянии между метками  5,65 · √ S, где S– исходная площадь поперечного сечения испытательного образца. Устаревшее обозначение этой величины А5 в настоящее время не применяется. Аналогичная величина в русскоязычных документах обозначается δ5.

Легко проверить, что для круглых образцов это расстояние между исходными метками вычисляется как 5·d.

Удлинение А50мм

Удлинение в процентах после разрыва образца по отношению к исходной длине между метками 50 мм и постоянной исходной ширине испытательного образца (обычно 12,5 мм). В США применяется расстояние между метками в 2 дюйма, то есть 50,8 мм.

Как увеличить прочностные характеристики

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.

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:

Общие сведения и характеристики сталей

С точки зрения конструктора, наибольшую важность для сплавов, работающих в обычных условиях, имеют физико-механические параметры стали. В отдельных случаях, когда изделию предстоит работать в условиях экстремально высоких или низких температур, высокого давления, повышенной влажности, под воздействием агрессивных сред — не меньшую важность приобретают и химические свойства стали

Как физико-механические, так и химические свойства сплавов во многом определяются их химическим составом.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

По мере увеличения процентной доли углерода происходит снижение пластичности вещества с одновременным ростом прочности и твердости. Этот эффект наблюдается до приблизительно 1% доли, далее начинается снижение прочностных характеристик.

Повышение доли углерода также повышает порог хладоемкости, это используется при создании морозоустойчивых и криогенных марок.

Влияние углерода на механические свойства стали

Рост содержания С приводит к ухудшению литейных свойств, отрицательно влияет на способность материала к механической обработке.

Добавки марганца и кремния

Mn содержится в большинстве марок стали. Его применяют для вытеснения из расплава кислорода и серы. Рост содержания Mn до определенного предела (2%) улучшает такие параметры обрабатываемости, как ковкость и свариваемость. После этого предела дальнейшее увеличение содержания ведет к образованию трещин при термообработке.

Влияние кремния на свойства сталей

Si применяется в роли раскислителя, используемого при выплавке стальных сплавов и определяет тип стали. В спокойных высокоуглеродистых марках должно содержаться не более 0,6% кремния. Для полуспокойных марок этот предел еще ниже — 0,1 %.

При производстве ферритов кремний увеличивает их прочностные параметры, не понижая пластичности. Этот эффект сохраняется до порогового содержания в 0,4%.

Влияние легирующих добавок на свойства стали

В сочетании с Mn или Mo кремний способствует росту закаливаемости, а вместе с Сг и Ni повышает коррозионную устойчивость сплавов.

Азот и кислород в сплаве

Эти самые распространенные в земной атмосфере газы вредно влияют на прочностные свойства. Образуемые ими соединения в виде включений в кристаллическую структуру существенно снижают прочностные параметры и пластичность.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector