Предел прочности для сталей

Обновлено: 14.05.2024

Допускаемые напряжения принимаем по нормам, систематизированных в виде таблиц, что удобнее для практического применения при проектировочных и проверочных прочностных расчетов.

Примечание. Условные обозначения термической обработки:

О — отжиг; Н — нормализация; У — улучшение; Ц — цементация; ТВЧ — закалка с нагревом т.в.ч.; В — закалка с охлаждением в воде; М — закалка с охлаждением в масле; НВ — твердость по Бринеллю. Число после М, В, Н или ТВЧ — среднее значение твердости по HRC.

*) Римскими цифрами обозначен вид нагрузки (см. таблицу 1): I — статическая; II — переменная, действующая от нуля до максимума и от максимума до нуля (пульсирующая), III — знакопеременная (симметричная).

Допускаемые напряжения для углеродистых сталей обыкновенного качества в горячекатаном состоянии

табл.1

Марка стали по ГОСТ 380	Допускаемые напряжения, кгс/см2
	При растяжении [ σ р ]			При изгибе [ σ из ]			При кручении [ τ кр ]			При срезе [ τ ср ]			При смятии [ σ см ]
	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II
Ст 2	1150	800	600	1400	1000	800	850	650	500	700	500	400	1750	1200
Ст 3	1250	900	700	1500	1100	850	950	650	500	750	500	400	1900	1350
Ст 4	1400	950	750	1700	1200	950	1050	750	600	850	650	500	2100	1450
Ст 5	1650	1150	900	2000	1400	1100	1250	900	700	1000	650	550	2500	1750
Ст 6	1950	1400	1100	2300	1700	1350	1450	1050	800	1150	850	650	2900	2100

Механические свойства и допустимые напряжения углеродистых качественных конструкционных сталей

табл.2

Марка стали ГОСТ 1050	Термо- обработка	Предел прочности при растяжении σ в	Предел текучести σ т	Предел выносливости при			Допускаемые напряжения *, кгс/см2, при
		Предел прочности при растяжении σ в	Предел текучести σ т	растяжении σ −1р	изгибе σ −1	кручении τ −1	растя- жении [σ р]			изгибе [σ из]			кручении [τ кр]			срезе [τ ср]			смятии [σ см]
		кгс/мм 2					I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II
8	Н	33	20	12	15	9	1100	800	600	1300	950	750	800	600	450	600	450	350	1650	1200
10	Н	34	21	12,5	15,5	9,5	1100	800	600	1450	1000	750	800	600	450	650	450	350	1650	1200
10	Ц-В59	40	25	14,5	18	11	1300	900	700	1550	1150	900	1000	650	550	700	500	400	1950	1350
15	Н	38	23	13,5	17	10	1250	850	650	1500	1100	850	950	650	500	750	500	400	1850	1250
15	Ц-В59	45	25	16	20	12	1450	500	800	1750	1250	1000	1100	800	600	850	600	450	2100	750
20	Н	42	25	15	19	11,5	1400	1150	950	1700	1200	950	1050	700	550	850	600	450	2100	1750
20	Ц-В59	50	30	18	22,5	13,5	1650	1150	900	2000	1400	1100	1250	750	550	1000	600	450	2400	1750
25	Н	46	28	17	21	12,5	1500	1100	850	1800	1300	1050	1100	800	600	900	650	500	2200	1650
25	Ц-В58	55	35	20	25	15	1800	1300	1000	2100	1600	1250	1350	950	750	1100	800	600	2700	1950
30	Н	50	30	18	22,5	13,5	1650	1150	900	2000	1400	1100	1250	900	700	1000	650	550	2400	1750
30	У	60	35	21,5	27	16	2000	1400	1050	2400	1750	1350	1500	1050	800	1200	850	650	3000	2100
35	Н	54	32	19	24	14,5	1800	1250	950	2100	1550	1200	1350	900	700	1100	750	550	2700	1900
	У	65	38	23	29	17,5	2100	1500	1150	2600	1850	1450	1600	1100	850	1300	900	700	5200	2200
	В35	100	65	36	45	27	3300	2300	1800	4000	2900	2200	2500	1650	1350	2000	1400	1100	5000	3500
40	Н	58	34	21	26	15,5	1900	1300	1050	2300	1650	1300	1400	1000	750	1150	800	600	2800	2000
	У	70	40	25	31,5	19	2300	1600	1250	2700	2000	1550	1700	1200	950	1400	1000	800	3400	2400
	В35	100	65	36	45	27	3400	2300	1800	4000	2900	2200	2500	1750	1350	2000	1400	1100	5000	3500
45	Н	61	36	22	27,5	16,5	2000	1400	1100	2400	1750	1350	1500	1050	800	1250	850	650	3000	2100
	У	75	45	27	34	20,5	2400	1700	1350	2900	2150	1700	1850	1300	1000	1450	1050	800	3600	2600
	М35	90	65	32,5	40,5	24,5	3000	2100	1600	3600	2600	2000	2300	1650	1200	1850	1250	950	4500	3100
	В42	90-120	70	32,5	40,5	24,5	3000	2100	1600	3600	2600	2000	2300	1600	1200	1850	1250	950	4500	3100
	В48	120	95	43	54	32,5	4000	2800	2100	4800	3400	2700	3000	2100	1600	2400	1700	1300	6000	4200
	ТВЧ56	75	45	27	34	20,5	2400	1700	1350	2900	2100	1700	1850	1300	1000	1450	1050	800	3600	2600
50	Н	64	38	23	29	17,5	2100	1400	1150	2500	1850	1450	1600	1100	850	1250	850	650	3100	2200
50	У	90	70	32,5	40,5	24,5	3000	2100	1600	3600	2600	2000	2300	1800	1200	1850	1250	950	4500	3100
20Г	Н	46	28	16,6	20,5	12,5	1500	1000	800	1800	1300	1000	1100	800	600	900	650	500	2200	1600
20Г	В	57	42	20,5	25,5	15	1950	1300	1000	2300	1650	1250	1450	1000	750	1150	800	600	2900	1900
30Г	Н	55	32	20	25	15	1800	1300	1000	2100	1600	1250	1350	950	750	1100	800	600	2700	1900
30Г	В	68	56	24,5	30,5	18	2300	1600	1200	2700	1950	1500	1700	1200	900	1400	1000	750	3400	2400
40Г	Н	60	36	22	27	16	2000	1400	1100	2400	1750	1350	1500	1050	800	1200	850	650	3000	2100
40Г	В45	84	59	35	38	23	2800	1900	1500	3300	2400	1900	2100	1500	1150	1700	1200	950	4200	2900
50Г	Н	66	40	23,5	29,5	17,5	2100	1500	1150	2600	1850	1450	1600	1100	750	1300	900	700	3200	2200
50Г	В	82	56	30	37	22	2700	1900	1500	3300	2500	1850	2500	1550	1100	1650	1050	750	4100	2900
65Г	Н	75	44	27	34	20	2400	1750	1350	2900	2100	1700	1850	1300	1000	1450	1050	800	3600	2600
	У	90	70	32,5	40,5	24,5	3000	2100	1600	3600	2600	2000	2300	1600	1200	1850	1250	950	4500	3100
	М45	150	125	53	67	40	5000	3500	2600	6000	4300	3300	3800	2600	2000	3000	2100	1600	7600	5200

Примечание:

Марки стали 20Г; 30Г; 40Г; 50Г; 65Г — старые марки стали, действующие до 1988 г. Буква Г в них обозначала содержание марганца около 1 %.

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.

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.

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

Условный предел текучести

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.

Легирующие добавки в составе сплавов

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.

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.

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.

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: