Что такое предел текучести и предел прочности металла

Обновлено: 02.07.2024

Прежде чем проводить различие между пределом текучести и пределом прочности при растяжении, следует хорошо знать такие термины, как напряжение и деформация, поскольку основные концепции обоих этих терминов лежат в основе обеих этих значений прочности. Приложенная сила может деформировать объекты, напряжение и деформация взаимосвязаны и имеют прочную связь с деформирующими силами. Напряжение — это мера деформирующей силы на единицу площади тела, тогда как деформация — это относительное изменение длины тела из-за деформирующих сил. Напряжение имеет ту же единицу, что и давление, Паскаль (Па), тогда как при деформации, где все связано с изменением длины, оно обозначается как процентное изменение длины тела из-за деформирующей силы. Следует отметить, что чем больше нагрузка на объект, тем больше нагрузка. Следуя этим концепциям, предел текучести — это минимальное напряжение, при котором объект вызывает остаточную деформацию, тогда как предел прочности при растяжении — это максимальное напряжение, которое объект может выдержать перед разрушением или разрушением. Деформация, о которой мы здесь говорим, является деформацией и вызывается напряжением на поверхности объекта. Эластичность — еще один связанный термин, поскольку это способность объекта выдерживать нагрузку и возвращать объект в исходное состояние.

Сравнительная таблица

Что такое предел текучести?

Когда объект помещен и к нему не прикладывается никакая внешняя сила или напряжение, в нем не происходит никаких изменений. Фактически приложенное напряжение вызывает деформацию объекта, тогда как другие силы могут изменить его движение со статического на кинетическое или наоборот. Приложенное напряжение не приводит к быстрым изменениям, оно зависит от природы объекта и приложенного к нему напряжения. Сначала, когда прикладывается напряжение, кажется, что объект мог деформироваться, но он возвращается к реальной форме или размеру, что связано с эластичностью этого объекта. Хотя в какой-то момент, когда прикладывается напряжение, объект деформируется навсегда и не возвращается в исходное положение. Минимальное напряжение, при котором объект вызывает остаточную деформацию, — это предел текучести.

Предел прочности?

Концепция прочности на разрыв также связана с напряжением и деформацией, и это точка, которая следует за пределом текучести. Когда к объекту прикладывается напряжение и он деформируется постоянно, это предел текучести, хотя, когда напряжение применяется даже после деформации объекта, точка наступает, когда объект ломается или разрушается. Прочность на растяжение — это максимальное напряжение, которое объект может выдержать перед разрушением или разрушением. Например, резинка имеет один из максимальных показателей прочности на разрыв, поскольку она более эластична, а это означает, что она может выдерживать большее напряжение перед разрушением. Когда к резинке прикладывается напряжение, она так долго деформируется или растягивается, но, наконец, приходит время, когда она ломается.

Предел прочности стали

Прочность металлических конструкций – один из важнейших параметров, определяющих их надежность и безопасность. Издревле вопросы прочности решались опытным путем — если какое-либо изделие ломалось — то следующее делали толще и массивнее. С 17 века ученые начали планомерное исследование проблемы, прочностные параметры материалов и конструкций из них можно рассчитать заранее, на этапе проектирования. Металлурги разработали добавки, влияющие на прочность стальных сплавов.

Предел прочности стали

Предел прочности

Предел прочности — это максимальное значение напряжений, испытываемых материалом до того, как он начнет разрушаться. Его физический смысл определяет усилие растяжения, которое нужно приложить к стрежневидному образцу определенного сечения, чтобы разорвать его.

Каким образом производится испытание на прочность

Прочностные испытания на сопротивление разрыву проводятся на специальных испытательных стендах. В них неподвижно закрепляется один конец испытываемого образца, а к другому присоединяют крепление привода, электромеханического или гидравлического. Этот привод создает плавно увеличивающее усилие, действующее на разрыв образца, или же на его изгиб или скручивание.

Испытание на разрыв

Электронная система контроля фиксирует усилие растяжения и относительное удлинение, и другие виды деформации образца.

Виды пределов прочности

Предел прочности — один из главных механических параметров стали, равно как и любого другого конструкционного материала.

Эта величина используется при прочностных расчетах деталей и конструкций, судя по ней, решают, применим ли данный материал в конкретной сфере или нужно подбирать более прочный.

Различают следующие виды предела прочности при:

сжатии — определяет способность материала сопротивляться давлению внешней силы;
изгибе — влияет на гибкость деталей;
кручении – показывает, насколько материал пригоден для нагруженных приводных валов, передающих крутящий момент;
растяжении.

Виды испытаний прочности материалов

Научное название параметра, используемое в стандартах и других официальных документах — временное сопротивление разрыву.

На сегодняшний день сталь все еще является наиболее применяемым конструкционным материалом, понемногу уступая свои позиции различным пластмассам и композитным материалам. От корректного расчета пределов прочности металла зависит его долговечность, надежность и безопасность в эксплуатации.

Предел прочности стали зависит от ее марки и изменяется в пределах от 300 Мпа у обычной низкоуглеродистой конструкционной стали до 900 Мпа у специальных высоколегированных марок.

На значение параметра влияют:

химический состав сплава;
термические процедуры, способствующие упрочнению материалов: закалка, отпуск, отжиг и т.д.

Некоторые примеси снижают прочность, и от них стараются избавляться на этапе отливки и проката, другие, наоборот, повышают. Их специально добавляют в состав сплава.

Условный предел текучести

Кроме предела прочности, в инженерных расчетах широко применяется связанное с ним понятие-предел текучести, обозначаемый σ_т. Он равен величине напряжения сопротивления разрыву, которое необходимо создать в материале, для того, чтобы деформация продолжала расти без наращивания нагрузки. Это состояние материала непосредственно предшествует его разрушению.

На микроуровне при таких напряжениях начинают рваться межатомные связи в кристаллической решетке, а на оставшиеся связи увеличивается удельная нагрузка.

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.

Легирующие добавки в составе сплавов

Это вещества, намеренно добавляемые в расплав для улучшения свойств сплава и доведения его параметров до требуемых. Одни из них добавляются в больших количествах (более процента), другие — в очень малых. Наиболее часто применяю следующие легирующие добавки:

Металлурги используют и более сложные комбинации легирующих добавок, добиваясь получения уникальных сочетаний физико-механических свойств стали. Стоимость таких марок в несколько раз (а то и десятков раз) превышает стоимость обычных низкоуглеродистых сталей. Применяются они для особо ответственных конструкций и узлов.

Предел текучести стали

Разные материалы по-разному реагируют на приложенную к ним внешнюю силу, вызывающую изменение их формы и линейных размеров. Такое изменение называют пластической деформация. Если тело после прекращения воздействия самостоятельно восстанавливает первоначальную форму и линейные размеры — такая деформация называется упругой. Упругость, вязкость, прочность и твердость являются основными механическими характеристиками твердых и аморфных тел и обуславливают изменения, происходящие с физическим телом при деформации под действием внешнего усилия и ее предельном случае — разрушении. Предел текучести материала — это значение напряжения (или силы на единицу площади сечения), при котором начинается пластическая деформация.

Поведение сталей при высоких температурах

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.

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.

Величина предела текучести материала

С развитием атомной физики в XX веке появилась возможность рассчитать значение параметра теоретическим путем. Эту работы первым проделал Яков Френкель в 1924 году. Исходя из прочности межатомных связей, он путем сложных для того времени вычислений определил величину напряжения, достаточного для начала пластической деформации тел простой формы. Величина предела текучести материала будет равна

τ_τ=G/2π. , где G — модуль сдвига, как раз и определяющий устойчивость связей между атомами.

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.

Физический предел текучести

В теории прочности для каждого материала существует несколько значений этой важной характеристики. Физический предел текучести соответствует значению напряжения, при котором, не смотря на деформацию, удельная нагрузка не меняется вовсе или меняется несущественно. Иными словами, это значение напряжения, при котором физическое тело деформируется, «течет», без увеличения прилагаемого к образцу усилия

Большое число металлов и сплавов при испытаниях на разрыв демонстрируют диаграмму текучести с отсутствующей или слабо выраженной «площадкой текучести». Для таких материалов говорят о условном пределе текучести. Его трактуют как напряжение, при котором происходит деформация в переделах 0,2%.

Условный предел текучести

К таким материалам относятся легированные и высокоуглеродистые стальные сплавы, бронза, дюралюминий и многие другие. Чем более пластичным является материал, тем выше для него показатель остаточных деформаций. Примером пластичных материалов могут служить медь, латунь, чистый алюминий и большинство низкоуглеродистых стальных сплавов.

Сталь, как самый популярный массовый конструкционный материал, находится под особо пристальным вниманием специалистов по расчету прочности конструкций и предельно допустимых нагрузок на них.

Стальные сооружения в ходе их эксплуатации подвергаются большим по величине и сложным по форме комбинированным нагрузкам на растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг. Нагрузки могут быть динамическими, статическими и периодическими. Несмотря на сложнейшие условия использования, конструктор должен обеспечить у проектируемых им конструкций и механизмов долговечность, безотказность и высокую степень безопасности как для персонала, таки для окружающего населения.

Предел текучести стали

Поэтому к стали и предъявляются повышенные требования по механическим свойствам. С точки зрения экономической эффективности, предприятие стремится снизить сечение и другие размеры производимой им продукции, чтобы снизить материалоемкость и вес и повысить, таким образом, эксплуатационные характеристики. На практике это требование должно быть сбалансировано с требования ми по безопасности и надежности, зафиксированными в стандартах и технических условиях.

Предел текучести для стали является ключевым параметрам в этих расчетах, поскольку он характеризует способность конструкции выдерживать напряжения без необратимых деформаций и разрушения.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

Согласно физико-химическому принципу аддитивности, изменение физических свойств материалов определяется процентным содержанием углерода. Повышение его доли до 1,2% дает возможности увеличить прочность, твердость, предел текучести и пороговую хладоемкость сплава. Дальнейшее повышение доли углерода приводит к заметному снижению таких технических показателей, как способность к свариваемости и предельная деформация при штамповочных работах. Стали с низким содержанием углерода демонстрируют наилучшую свариваемость.

Азот и кислород в сплаве

Эти неметаллы из начала таблицы Менделеева являются вредными примесями и снижают механические и физические характеристики стали, такие, например, как порог вязкости, пластичность и хрупкость. Если кислород содержится в количестве свыше 0,03%- это ведет к ускорению старения сплава, а азот увеличивает ломкость материала. С другой стороны, содержание азота повышает прочность, снижая предел текучести.

Микроструктура сплава, в составе которого присутствуют азот и кислород

Добавки марганца и кремния

Легирующая добавка в виде марганца применяется для раскисления сплава и компенсации отрицательного влияния вредных серосодержащих примесей. Ввиду своей близости по свойствам к железу существенного самостоятельного влияния на свойства сплава марганец не оказывает. Типовое содержание марганца – около 0,8%.

Кремний оказывает похожее воздействие, его добавляют в процессе раскисления в объемной доле, не превышающей 0,4%. Поскольку кремний существенно ухудшает такой технический показатель, как свариваемость стали. Для конструкционных сталей, предназначенных для соединения сваркой, его доля не должна превышать 0,25%. На свойства стальных сплавов кремний влияния не оказывает.

Примеси серы и фосфора

Сера является исключительно вредной примесью и отрицательно воздействует на многие физические свойства и технические характеристики.

Предельно допустимое содержание этого элемента в виде хрупких сульфитов– 0,06%

Сера ухудшает пластичность, предел текучести, ударную вязкость, износостойкость и коррозионную стойкость материалов.

Фосфор оказывает двоякое воздействие на физико-механические свойства сталей. С одной стороны, с повышением его содержания повышается предел текучести, однако с другой стороны, одновременно понижаются вязкость и текучесть. Обычно содержание фосфора находится в пределах от 0,025 до 0,044%. Особенно сильное отрицательное влияние фосфор оказывает при одновременном повышении объемных долей углерода.

Легирующими добавками называют вещества, намеренно введенные в состав сплав для целенаправленного изменения его свойств до нужных показателей. Такие сплавы называют легированными сталями. Лучших показателей можно добиться, добавляя одновременно несколько присадок в определенных пропорциях.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Распространенными присадками являются никель, ванадий, хром, молибден и другие. С помощью легирующих присадок улучшают значение предела текучести, прочности, вязкости, коррозионной стойкости и многих других физико-механических и химических параметров и свойств.

Текучесть расплава металла

Текучестью расплава металла называют его свойство полностью заполнять литейную форму, проникая в малейшие полости и детали рельефа. От этого зависит точность отливки и качество ее поверхности.

Жидкий металл для процессоров

Свойство можно усилить, если поместить расплав под избыточное давление. Это физическое явление используется в установках литья под давлением. Такой метод позволяет существенно повысить производительность процесса литья, улучшить качество поверхности и однородность отливок.

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.

Все о пределе и классах прочности стали

Прочность металлоконструкций – та характеристика металла, от которой особенно зависит их безопасность и надежность. Долгое время вопрос прочности решался так: если ломается изделие, в следующий раз его нужно сделать толще. Но потом ученые поняли, что нужно менять качественный состав сплава.

Что это такое?

Пределом прочности называется максимальное значение напряжений, который металл испытывает до начала разрушения. С точки зрения физики это сводится к усилию растяжения, прилагаемого к стержневидному образцу конкретного сечения, чтобы его разорвать. Кстати, понятие «предел прочности» хотя и употребляется повсеместно, не самое корректное.

Правильнее говорить «временное сопротивление», но раз предыдущий вариант уже прижился, и даже в официальной технической документации, можно простить это небольшое смысловое искажение.

Прочностные испытания – это тесты, проверяющие сопротивление разрыву, и они организовываются на особых испытательных стендах. В них недвижимо крепится один конец тестируемого образца, к другому же подсоединяют крепление гидравлического либо электромеханического привода. Этот привод создает усилие, которое, в свою очередь, плавно увеличивается. Оно действует на разрыв образца, на его изгиб либо скручивание. А благодаря умной электронной системе контроля можно отметить усилие растяжения и относительное удлинение, а также иные виды деформаций.

Такие испытания крайне важны, и специально для них создаются те станки, формируются те условия, которые максимально приближены к производственным. Они дают если не самую точную, то вполне достоверную оценку того, как металл будет вести себя в контексте эксплуатации. И прочность материала оценивается очень точно, а именно нужно посмотреть, как металл выдерживает нагрузку, не разрушаясь полностью. Если материал хрупкий, например, он может разрушаться сразу в нескольких местах.

Иначе говоря, предел прочности – есть максимальная механическая сила, которая может применяться к объекту до того, как тот начнет разрушаться. Только нет речи о химическом воздействии, но вот о каких-то негативных природных условиях, об определенных показателях среды говорить можно. Именно они могут как улучшать свойства металла, так и ухудшать их. Инженер не может при проектировании применить крайние значения, ведь он должен подразумевать погрешность, связанную с окружающими факторами, с длительностью использования и так далее.

Сталь – самый применяемый конструкционный материал, хотя и уступающий сейчас пластмассам и композитным составам, если и не полностью, то по ряду важных позиций. Если расчет предела прочности сделан корректно, материал будет долговечным и безопасным. Предел прочности стали связан с тем, о какой именно марке речь. На значение этого параметра влияет химический состав сплава, а также те температурные процедуры, которые могут повысить прочность материала – это и закалка, и отпуск, и отжиг.

Отдельные примеси могут снизить показатели прочности, а потому от них лучше избавляться еще во время отливки либо проката. Другие, напротив, повышают показатели. И их вносят в состав сплава.

Примеры легирующих добавок в сплавах, меняющих их характеристики: добавляет сплаву прочности молибден, ванадий и никель.

Металлурги усложняют комбинации добавок, чтобы получить особые сочетания физических и механических характеристик стали. Но цена таких марок куда выше цены низкоуглеродистых стандартных сплавов. И для каких-то очень важных узлов и конструктивных систем использование дорогих сталей оправдано.

Виды предела прочности

Немного подробнее о том, какими они бывают.

При сжатии

Под таким термином понимается пороговая величина постоянного или переменного механического напряжения. Превышая этот предел, механическое напряжение сожмет тело из того или иного материала. Тело либо разрушится, либо деформируется. Пороговая величина постоянного напряжения соответствует статическому пределу прочности, переменного – динамическому. Механическое напряжение сжимает тело за небольшой период времени.

При растяжении

А это уже пороговая величина постоянного или переменного механического напряжения, превышение которого механическим напряжением приведет к разрыву металлического тела. И это также происходит за короткий временной эпизод. На практике же очевидно, что деталь может неприемлемо истончиться, и этого уже достаточно для понимания пороговой величины, не обязательно дожидаться именно разрывания тела.

При кручении

Под этим термином понимаются максимальные касательные напряжения, которые обычно возникают в опасном срезе вала, и они не могут превысить допустимые напряжения. Условие прочности может использоваться для расчета проверки прочности (так называемого проверочного расчета), подбора сечения и определения допускаемого крутящего момента.

При изгибе

Он пребывает в обратной зависимости от твердости и возрастает с увеличением процентного содержания цементирующего металла. То есть на прочность при изгибе будет влиять химический состав сплава, а еще величина зерен карбидов и особенности слоев цементирующего металла.

Немалое значение здесь приобретает величина прослоек цементирующей фазы. Чем эта прослойка толще, тем меньше местные напряжения и тем выше прочность. Чем меньше прослойки цементирующей фазы, тем меньше и прочность сплава. Хорошо считывается пропорциональность. Чтобы определить этот предел прочности, нужно использовать метод разрушения свободно лежащего образца одной сосредоточенной силой.

То есть образец будет лежать на двух опорах, в центре образца – статическая нагрузка.

Особенности классов

Чтобы унифицировать стали по гарантированным пределам прочности (а точнее, текучести и временному сопротивлению разрыву), стали делятся на классы. Всего их 7.

И вот эта классификация:

сталь класса С225 – это сталь нормальной прочности (условное название);
3 последующих класса (от 285 до 390 МПа) – сталь повышенной прочности;
оставшиеся три класса (от 440 до 735 МПа) – сталь высокой прочности.

Первый класс обычно связывается с прокатом углеродистой обыкновенной стали в горячекатаном состоянии. Последующие классы (от второго до пятого) ассоциированы с прокатом низколегированной стали в нормализованном либо горячекатаном состоянии. Шестой и седьмой классы прочности связаны с прокатом экономно легированной стали, которая обычно поставляется в термооптимизирванном состоянии.

Правда, прокат второго и третьего класса реально получить термическим и термомеханическим упрочнением. А, возможно, и контролируемой прокаткой.

Категории прочности сталей согласно ГОСТ 977-88 условно принято обозначать индексами «К» и «КТ». А после индекса ставится число, которое и определяет требуемый предел текучести. Индекс «К» носят отожженные стали, нормализованные или отпущенные. «КТ» же присваивают сталям, которые прошли закалку и отпуск. Например, К48, К52, К60 и т. д.

Уже не раз упоминался в тексте предел текучести, стоит немного расшифровать этот показатель. Он связан с механическим определением металла, характеризующим напряжение, при котором будут расти деформации, не сопряженные с увеличением нагрузки. Этот параметр, в частности, помогает рассчитать допустимые показатели напряжения для разных материалов.

Когда в металле пройден предел текучести, в образце начнутся некорректируемые изменения: перестроится кристаллическая решетка, появятся деформации пластического типа. Металл ожидает самоупрочнение. Здесь же стоит добавить, что если углеродная добавка не превышает 1,2%, предел текучести стали растет, как следствие, повышая прочность, твердость, а еще и термоустойчивость. Если процент углерода возрастет, технические параметры однозначно будут ухудшаться – такая сталь плохо поддается сварке, не лучшим образом демонстрирует себя и в штамповке. В той же сварке куда охотнее используются сплавы, где углерода мало.

Если вернуться к классам прочности, то всегда важно рассмотреть, о каких именно изделиях идет речь. Например, винты, шпильки и болты производят обычно из углеродистых сталей с разными классами прочности. Хотя, в принципе, даже из одной и той же стали можно соорудить болты, прочность которых будет разной. Просто отличаются способы обработки металла и использование/неиспользование закалки. Из стали 35, к примеру, делаются болты разных классов прочности: 5.6 – если болты вытачиваются на токарном (либо фрезерном) станке и 6.6, 6.8 – если используется объемная штамповка и высадочный пресс. А если сталь закалить, класс прочности возрастает до 8.8.

Показатели для разных марок

Сталь, как известно, это сплав железа с углеродом и некоторыми другими включениями. Так как используется она в огромном перечне промышленных отраслей, то и марок стали существует немало. Все они различны по структуре, по химсоставу, физическим и механическим характеристикам. Предел прочности тоже будет разным, и измеряют его в МПа.

Например, у стали 20 он равен 420 МПа, у стали 40 – 580 МПа, у стали 10 – 340, у стали 30 – 500, у стали 25 – 460, а у стали 45 – возрастает до 610. Сталь 20Х имеет предел прочности 600 МПа, а сталь Ст3 – 390. Максимальный предел прочности имеет марка 60С2А (1600 МПа), повышенные показатели у марки 50ХФА (1300), 60С2 (тоже 1300).

Также в металлургии учитывается и коэффициент запаса – показатель, который определяет, как конструкция выдерживает предполагаемые нагрузки сверх расчета. Это важно для исключения повреждений, если случились промахи в проектировании, неточности. Или не в проектировании, а уже в ходе изготовления и использования.

Любой специалист скажет, что крайне важно для сплавов, которые будут работать в стандартных условиях, оценить их физико-механические особенности. Химические свойства же становятся важны, если работать сталь будет в экстремальном контексте (с точки зрения радикально низких либо, напротив, высоких температур), при высоком давлении или повышенной влажности, в агрессивных средах.

И химсвойства сплавов, и физико-механические определяются в основном их химическим составом. Чем больше процент углерода в металле, тем больше снижается его пластичность, и в параллель с этим возрастает прочность. Но данное утверждение справедливо только до достижения 1% доли углерода, после чего прочностные характеристики очевидно снижаются.

Чтобы влиять на качества металла, на его возможности, на коррекцию тех или иных свойств (даже в пределах одной марки или группы марок), металлурги пробуют добавлять в формулу стали те или иные компоненты. Например, кремний используется как раскислитель, и при производстве ферритов он серьезно поднимает их прочность. Но пластичность при этом остается прежней.

А вот если в состав добавить азот, прочностные параметры существенно снизятся, и пластичность, впрочем, тоже.

Можно сказать в итоге, что предел прочности – не рядовая характеристика стали. Современному производству, как показывает практика, необходимо все больше именно прочных стальных изделий. Это касается и строительства зданий, и сооружения сверхновых мостов, готовых к высочайшим нагрузкам. И один из ключевых вопросов сегодня в этой сфере – как рассчитать прочность металла и значение напряжения арматуры из стали.

Сталь – востребованный в промышленной и строительной сферах материал, который отличается высокими эксплуатационными характеристиками и отлично подходит для возведения зданий, сооружений, мостов и других объектов.

При проектировании определенных конструкций инженеры учитывают свойства стали, среди которых – предел текучести. Стоит подробнее рассмотреть, что представляет собой нормативная характеристика, и как ее правильно рассчитать.

Каждый конструктор должен знать все о механических свойствах материала, с которым работает. Предел текучести – максимально допустимая нагрузка, которая не разрушит конструкцию в момент приложения. Чем выше обозначение показателя, тем более прочным считается изделие, и тем большую нагрузку оно способно выдержать. Разрушение или серьезная деформация строительных элементов, используемых для возведения различных объектов, недопустимо. Поэтому при проектировании необходимо в обязательном порядке учитывать предел текучести, который предупреждает серьезные разрушения конструкций с возможностью появления человеческих жертв.

Если рассматривать предел текучести на практике, то он определяет, какую нагрузку можно прикладывать материалу и деталям или элементам, которые были из него изготовлены. Другими словами, предел текучести – особая нагрузка, которую способно выдержать:

здание;
сооружение;
механизм.

Ранее показатель определяли посредством проведения опытов, и лишь в XIX веке ученые пришли к сопромату или теории сопротивления материалов. Теперь вопрос надежности решается заложенным в материал запасом прочности. Увеличение этого показателя привело к повышению стоимости конструкций и расширению возможностей строительной и промышленной сфер.

Влияющие факторы

Свойства металла определяет тип кристаллической решетки, которая формируется исходя из процентного содержания углерода в составе. Отследить зависимость строения решетки от количества углеродных соединений можно на специальной структурной диаграмме. Например, если металл содержит 0,06% углерода, то это феррит, для которого характерна особая структура решетки – зернистая. Среди свойств материала выделяют прочность и повышенную текучесть, что позволяет ему выдерживать большие нагрузки.

По структуре стали классифицируют на:

ферритную;
перлитно- или цементитно-ферритовую;
цементитно-перлитовую;
перлитную.

Каждый металл обладает своими характеристиками и показателем текучести, определяющим максимальную несущую способность материала, при которой он не будет деформироваться или разрушаться.

Марганец и кремний

Представляют собой специальные добавки, за счет них удается поднять степень, при которой происходит раскисление материала. Дополнительно посредством применения этих элементов получается уменьшить вредное воздействие серы, и улучшить технические характеристики. Кремний, например, повышает свариваемость металла. Среднее содержание компонента составляет 0,38%. В основном добавление элемента происходит в период раскисления материала.

Сера и фосфор

Серу используют в виде хрупких сульфитов, способных изменить механические показатели сплава. Чем больше этого элемента, тем ниже:

пластичность;
текучесть;
вязкость.

При чрезмерных добавлениях серы свойства металла ухудшаются, он становится неустойчив к коррозии и сильному истиранию, быстро приходит в негодность. Фосфор служит для повышения показателя текучести и уменьшения пластичности сплава. Однако в больших количествах компонент также способен навредить металлу. Поэтому оптимальные значения серы и фосфора достигают соответственно 0,025% и 0,044%.

Азот и кислород

Компоненты неметаллического типа, посредством которых понижают механические свойства сплава. Большое содержание кислорода ускоряет коррозионные процессы и укорачивает срок службы изделия, также наличие подобного компонента негативно отражается на показателях пластичности и вязкости.

Азот, наоборот, способен повысить прочность материала. Однако в этом случае страдает предел текучести, а это значит, что металл не сможет вынести большие нагрузки.

Легирующие добавки

Они улучшают «физику» стали, повышая такие показатели, как текучесть, вязкость удара и прочность. Наличие подобных добавок предотвращает несвоевременные деформации и растрескивание материала. Среди распространенных компонентов:

А также в качестве легирующей добавки используют хром.

Показатели для разных сталей

У сталей разных марок разный предел текучести. Если рассматривать варианты сортового проката размером 80 мм, то для них характерны следующие значения.

20. Текучесть при температуре в 20 градусов по Цельсию достигает 245 Н/мм2. Если переводить в килограмм-силы, то показатель равен 25 кгс/мм2.
30. Параметр достигает 295 Н/мм2 или 36 кгс/мм2.
45. Максимальный предел текучести обладает значением 355 Н/мм2, которое достигается при температуре в 20 градусов по Цельсию после нормализации стали.

Дополнительно ГОСТ 1050-88 предусматривает для ряда сталей измененные параметры нормативного предела текучести, которые определяются исходя из требований потребителя и возможностей изготовителя. Например, образцы, вырезанные из заготовок, подвергшихся термической обработке, выдают следующие значения.

Сталь 30. Параметр зависит от толщины листовой стали. Прокат, размер которого не превышает 16 мм, демонстрирует предел текучести в 400 Н/мм2, от 16 до 40 мм – 355 Н/мм2, от 40 до 100 мм – от 295 Н/мм2.
Сталь 45. При таких же размерах показатели предела текучести составляют соответственно 490 Н/мм2, 430 Н/мм2 и 375 Н/мм
Сталь 40Х и 40ХН. Легированный хромистый материал, характеристики которого регулирует ГОСТ 4543-71. Прокат размером 25 мм обладает пределом текучести в 785 Н/мм2. Такого показателя удается добиться после прохождения металлом термической обработки. У стали 45Х показатель выше.
Сталь 09Г2С. Основные характеристики представлены в ГОСТ 5520-79. Сталь представляет конструкционный низколегированный материал, используемый для сборки сварных конструкций. Особенность марки – высокая прочность, максимальная текучесть составляет 345 Н/мм2. Чем выше температура эксплуатации материала, тем ниже показатель, и тем больше требований по использованию.
Сталь 3. Представляет металл с большим содержанием углерода, характеристики которого можно посмотреть в ГОСТ 380-200. Производители выпускают несколько марок такого вида стали: Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, С245. У каждой марки своя текучесть, которая лежит в пределах от 195 до 235 Н/мм2.

А также существуют показатели для сталей 35, 50, 20Х, С245, 10ХСНД и других марок. Чем выше показатель, тем более высокопрочный материал и выше его устойчивость к внешним воздействиям в виде внушительных нагрузок.

Как рассчитать?

Френкель – один из известных ученых, которому приписывают гениальное допущение. Ранее под изменением материала формы понимали деформацию, которая происходит в результате воздействия на структуру материала напряжений сдвига. В рукописях прошлого столетия полагали, что для запуска пластической деформации материала достаточно сдвига одной половины изделия до точки, когда уже невозможно вернуться в первоначальное положение. Френкель первым выдвинул предположение, что у материала может быть особое строение, которое включает кристаллы или представляет полукристаллическое пространство, что свойственно, например, для:

металлов 30ХГСА, 5, 65Г, 17Г1С и других марок;
керамики;
полимеров.

Подобный вид строения материала говорит о существовании пространственной решетки, в узлах которой собрано определенное количество атомов. Строение решеток бывает разным и строго уникальным для каждого вещества, где также отличаются расстояния между атомами в узлах решетки. Поэтому для вызова сдвига и деформации, которая после него следует, необходимо приложить усилия для разрыва межатомных связей.

Предел текучести – особый показатель напряжения, которое необходимо для разрыва связей между атомами. Приложение подобного усилия приведет к смещению элементов относительно друг друга без возможности возвращения первоначального положения, так как силы упругости уже не будут действовать. В макромире прикладывание усилий, равных пределу текучести, приводит к развитию в материале деформаций пластического типа, способных изменить его форму и размеры. Результатом такого воздействия становится изменение формы и тела стали с последующим отказом и разрушением структуры.

Расчетное сопротивление определяют посредством испытаний стандартных образцов. По мере исследования формируется график, по которому удается узнать, где сталь «течет».

Проведение испытаний на производстве

Испытания для определения показателя текучести проводят с применением предварительно подготовленных образцов и специального оборудования. Вот основные этапы исследования.

Сначала цилиндрический образец, сечение которого составляет 20 мм в диаметре и 10 мм в длине, ставят в предварительно подготовленную установку.
Оборудование запускают, и начинают замеры, постепенно отмечая результаты в тетради или блокноте, а также отслеживая диаграмму растяжения на экране, если есть такая возможность.
Строят график, где наглядно отображается изменение структуры образца.
Фиксируют значение усилия при разрушении цилиндра.

Далее приступают к оценке графика. Как показывают результаты, небольшая нагрузка приводит к прямо пропорциональному удлинению образца. При постепенном увеличении силы растяжения заготовка достигает предела, где заканчивается пропорциональность, после чего изделие достигает точки невозврата, когда исходник не сможет вернуться к первоначальной длине при снятии нагрузки. Со временем даже без изменения нагрузки деталь продолжит меняться, пока не достигнет предела и не разрушится.

Например, недавно проведенные испытания доказали, что стальной прут Ст3 разрушается при достижении нагрузки в 2450 кг.

Читайте также: