Прочность металла на разрыв
Обновлено: 05.10.2024
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.
Механические свойства стали
Несомненно, наиболее важными свойствами стали, которые способствуют ее обширному применению, являются механические. Они подразумевают сочетание очень высокой прочности со способностью значительно изменять форму до окончательного разрушения, например, из-за пластического прогиба.
Были разработаны различные методы для определения данных параметров. Существует множество разновидностей стальных сплавов. Об их механических свойствах и пойдет речь в нашей статье.
Прочность
Прочность данного материала – это то свойство, которое определяет его способность выдерживать значительную внешнюю нагрузку без разрушения. Количественно этот показатель характеризуется пределом текучести и пределом прочности.
- Предел прочности – максимальное механическое напряжение, выше которого стальной сплав разрушается.
- Предел текучести – этот параметр определяет уровень механического напряжения, при превышении которого материал продолжает растягиваться в условиях нулевой нагрузки.
При небольших деформациях стержень ведет себя упруго – он «возвращается» к своей исходной длине, если приложенные напряжения снимаются. Когда последние превышают предел текучести, заготовка начинает пластически деформироваться. Это означает, что она больше не возвращается к своей исходной длине, но получает необратимое удлинение.
При растяжении стержня до разрыва определяется максимальное напряжение, что представляет собой предел прочности на разрыв или предел прочности материала.
Пластичность
Благодаря этому свойству металл меняет свою форму под воздействием внешней нагрузки и сохраняет её впоследствии. Этот показатель количественно оценивается удлинением при растяжении и углом изгиба. Если металл разрушается при простом испытании на изгиб только после большого пластического прогиба, он считается пластичным. Если таковой отсутствует или незначителен, сталь считается хрупкой.
Хорошая пластичность сплава выражается в испытании на растяжение большим удлинением образца и/или его сжатием. Удлинение определяется как процент увеличения длины металла после разрушения до его первоначальной длины. Точно так же сужение в процентах определяет уменьшение площади образца по сравнению с его исходным объемом.
Вязкость
Важным механическим свойством металла является его вязкость. Данная характеристика обозначает способность материала противостоять динамическим нагрузкам. Количественно это свойство оценивается по работе, необходимой для разрушения образца, отнесенной к его площади поперечного сечения. Обычно термин «вязкость» используется для определения уровня способности металла нехрупко разрушаться.
Характер разрушения (хрупкое или пластичное) удобно рассмотреть на примере ферритных стальных сплавов. Все металлы с объемно-центрированной кубической атомной решеткой, как и ферритные стали, имеют один общий недостаток: хрупкий характер разрушения при низких температурах, а при довольно высоких – пластичный характер.
Температура перехода от одного состояния к другому называется температурой вязко-хрупкого перехода.
Другие свойства
Твердость
Сталь обладает и таким механическим свойством, как твердость. Она позволяет металлу противостоять попаданию в него твердых частиц. Его твердость измеряют при помощи индентора – это более твердый материал, который внедряют в сталь до появления отпечатка. Идеальный индентор – алмазный конус, но также применяются металлические шарики. Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на исследуемый образец – вдавливание индентора. Однако это не приводит к разрушению материала.
На твердость металла влияет зависимость от температуры закалки и содержания углерода. Наиболее распространенными методами замера твердости являются:
- метод Виккерса;
- метод Бринелля;
- метод Роквелла.
Усталость
Усталость стали – это свойство, описывающее постепенное накопление повреждений под действием циклических нагрузок, которое приводит к образованию трещин. Усталостное разрушение имеет ряд отличительных черт. Возникает внезапно, без заметных внешних признаков пластической деформации. При усталостном переломе обычно выделяют две характерные зоны. Первая, имеющая гладкую поверхность, создается за счет появления и постепенного развития усталостной трещины, вторая – это зона окончательного разрушения остальной части сечения изделия.
После возникновения царапины или потертости напряжение в точке концентрации превысит предел текучести. Это приведет к трещинам и другим дефектам, из-за которых металл может разрушиться. Предотвратить разрушение в связи с усталостью металла невозможно, но продлить срок его службы можно, осуществляя регулярный осмотр и профилактику.
Маркировка и свойства разных марок стали
Стальные сплавы классифицируются по нескольким параметрам:
- химический состав (углеродистые, легированные);
- качество (обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особо высококачественные);
- способ проката (конверторные, мартеновские, электростали, особых методов выплавки);
- структура в отожженном состоянии (перлитные, аустенитные, ферритные, карбидные);
- назначение (конструкционные, инструментальные, специального назначения, строительные).
В России по маркировке стали можно приблизительно определить состав и другие ее характеристики, так как для обозначения применяются буквы названий элементов, которые добавляют в сплав, а цифры отображают количественное содержание. Также буквы используются для обозначения уровня раскисления. Для примера, кипящие стали имеют маркировку «КП», полуспокойные – «ПС», а спокойные – «СП».
Тем сплавам, которым присущи обыкновенные свойства, присваивается индекс Ст, вслед за которым указывается условный номер марки (от 0 до 6). Затем обозначается уровень раскисления. Легированные сплавы маркируют при помощи следующих буквенных обозначений легирующих веществ: Н – никель, Ю – алюминий, Х – хром, Т – титан, М – молибден, В – вольфрам. Для быстрорежущих инструментальных сплавов указывается индекс «P» и процентное содержание вольфрама, например P16.
Стали повышенной и высокой прочности (низко- и среднелегированные) поставляются в соответствии с ГОСТами и особыми техническими условиями.
Обозначение легированных сталей в определенной степени отражает их химический состав. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие буквы – легирующие добавки. Число после буквы показывает содержание добавки в процентах, округленное до целых значений. Если количество легирующих компонентов составляет 0,3-1%, то цифру не ставят. Содержание добавки менее 0,3% не наблюдается.
Предел прочности стали при сжатии и растяжении: разбираемся по порядку
Преде́л про́чности — механическое напряжение , выше которого происходит разрушение материала. Иначе говоря, это пороговая величина, превышая которую механическое напряжение разрушит некое тело из конкретного материала. Следует различать статический и динамический пределы прочности. Также различают пределы прочности на сжатие и растяжение.
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.)
Внутренние усилия при растяжении-сжатии
Осевое (центральное) растяжение или сжатие прямого бруса вызывается внешними силами, вектор равнодействующей которых совпадает с осью бруса. При растяжении или сжатии в поперечных сечениях бруса возникают только продольные силы N. Продольная сила N в некотором сечении равна алгебраической сумме проекции на ось стержня всех внешних сил, действующих по одну сторону от рассматриваемого сечения. По правилу знаков продольной силы N принято считать, что от растягивающих внешних нагрузок возникают положительные продольные силы N, а от сжимающих — продольные силы N отрицательны (рис. 5).
Чтобы выявить участки стержня или его сечения, где продольная сила имеет наибольшее значение, строят эпюру продольных сил, применяя метод сечений, подробно рассмотренный в статье:
Анализ внутренних силовых факторов в статистически определимых системах
Ещё настоятельно рекомендую взглянуть на статью:
Расчёт статистически определимого бруса
Если разберёте теорию в данной статье и задачи по ссылкам, то станете гуру в теме «Растяжение-сжатие» =)
Другие прочностные параметры
Мерами прочности также могут быть предел текучести, предел пропорциональности, предел упругости, предел выносливости, предел прочности на сдвиг и др. так как для выхода конкретной детали из строя (приведения детали в негодное к использованию состояние) часто достаточно и чрезмерно большого изменения размеров детали. При этом деталь может и не разрушиться, а лишь только деформироваться. Эти показатели практически никогда не подразумеваются под термином «предел прочности».
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.
Прочностные особенности некоторых материалов
Значения предельных напряжений (пределов прочности) на растяжение и на сжатие у многих материалов обычно различаются.
У композитов предел прочности на растяжение обычно больше предела прочности на сжатие. Для керамики (и других хрупких материалов) — наоборот, характерно многократное превышение пределом прочности на сжатие предела прочности на растяжение. Для металлов, металлических сплавов, многих пластиков, как правило, характерно равенство предела прочности на сжатие и предела прочности на растяжение. В большей степени это связано не с физикой материалов, а с особенностями нагружения, схемами напряженного состояния при испытаниях и с возможностью пластической деформации перед разрушением.
Прочность твёрдых тел обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами, составляющими тело. При увеличении расстояния между атомами они начинают притягиваться, причем на критическом расстоянии сила притяжения по абсолютной величине максимальна. Напряжение, отвечающее этой силе, называется теоретической прочностью на растяжение и составляет σтеор ≈ 0,1E, где E — модуль Юнга . Однако на практике наблюдается разрушение материалов значительно раньше, это объясняется неоднородностями структуры тела, из-за которых нагрузка распределяется неравномерно.
Некоторые значения прочности на растяжение в МПа (1 кгс/мм² = 100 кгс/см² ≈ 10 МН/м² = 10 МПа) (1 МПа = 1 Н/мм² ≈ 10 кгс/см²):
| Материалы | , МПа | |
|---|---|---|
| Бор | 5700 | 0,083 |
| Графит (нитевидный кристалл) | 2401 | 0,024 |
| Сапфир (нитевидный кристалл) | 1500 | 0,028 |
| Железо (нитевидный кристалл) | 1300 | 0,044 |
| Тянутая проволока из высокоуглеродистой стали | 420 | 0,02 |
| Тянутая проволока из вольфрама | 380 | 0,009 |
| Стекловолокно | 360 | 0,035 |
| Мягкая сталь | 60 | 0,003 |
| Нейлон | 50 | 0,0025 |
Предел прочности чугуна
Способность материала воспринимать нагрузки, вызывающие циклические напряжения. Этот прочностной параметр определяют как максимальное напряжение в цикле, при котором не происходит усталостного разрушения изделия после неопределенно большого количества циклических нагружений (базовое число циклов для стали Nb = 10 7). Коэффициент R (σR) принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Поэтому предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как σ-1, а в случае пульсационных — как σ0.
Отметим, что усталостные испытания изделий очень продолжительны и трудоёмки, они включают анализ больших объёмов экспериментальных данных при произвольном количестве циклов и существенном разбросе значений. Поэтому чаще всего используют специальные эмпирические формулы, связывающие предел выносливости с другими прочностными параметрами материала. Наиболее удобным параметром при этом считается предел прочности.
Для сталей предел выносливости при изгибе как правило составляет половину от предела прочности: Для высокопрочных сталей можно принять:
Для обычных сталей при кручении в условиях циклически изменяющихся напряжений можно принять:
Приведённые выше соотношения стоит применять осмотрительно, потому что они получены при конкретных режимах нагружения, т.е. при изгибе и при кручении. Однако, при испытании на растяжение-сжатие предел выносливости становится примерно на 10—20% меньше, чем при изгибе.
Расчеты на прочность и жесткость при растяжении и сжатии
Опасным сечением при растяжении и сжатии называется поперечное сечение бруса, в котором возникает максимальное нормальное напряжение. Допускаемые напряжения вычисляются по формуле:
где σпред — предельное напряжение (σпред = σт — для пластических материалов и σпред = σв — для хрупких материалов); — коэффициент запаса прочности. Для пластических материалов = = 1,2 … 2,5; для хрупких материалов = = 2 … 5, а для древесины = 8 ÷ 12.
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 на жесткость при растяжении и сжатии
Работоспособность стержня определяется его предельной деформацией . Абсолютное удлинение стержня должно удовлетворять условию:
Часто дополнительно делают расчет на жесткость отдельных участков стержня.
Следующая важная статья теории:
Изгиб балки
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.
Классы прочности и их обозначения
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 σт. 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.
Читайте также: